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1、 第十三讲 基本相互作用的统一，原子能的利用 5.5.1 奇妙的规范对称性 对称性就是一个物体或物体系统在某种变换下具 有的不变性。 例如一个均匀的圆球绕其球心转动任意角度 后，它看上去与转动前一样，也就是说，该球具 有转动对称性。 很多建筑物，甚至人体均具有左右对称性。 对称性给自然界带来了和谐与美对称性给自然界带来了和谐与美 5.5 相互作用的统一 对称性与物理量的守恒定律有着一一对应的关系对称性与物理量的守恒定律有着一一对应的关系。 例如： 空间平移对称性（空间是均匀的） 动量守恒 时间平移对称性 能量守恒 空间转动对称性（空间各向同性） 角动量守恒 电荷守恒对应着一种抽象的对称性：电荷
2、守恒对应着一种抽象的对称性： 规范变换的不变性。规范变换的不变性。 5.5 相互作用的统一 5.5.25.5.2 标准模型标准模型 温伯格-萨拉姆理论具有SU(2)U(1) 规 范对称性，展现了称作自发对称破缺的 性质. 强相互作用则由具有SU(3)规范对称性的 量子色动力学（QCD）描述 两个理论组合起来统一描述强、弱、电 三种相互作用，称为基本粒子的标准模 型 GUT, 超弦理论 （Superstring Theory ） 粒子物理中的标准模型 物质由三代轻子与夸克构成: 传递相互作用的粒子: 光子 电磁作用 W 和 Z 弱作用 胶子 强作用 量子色动力学 (QCD) 质量起源 Higgs
3、 (刚找到？) 电弱统一理论 Richard Feynman Shared the 1965 Nobel Prize in Physics for his contributions to the development of Quantum Electrodynamics 粒子物理中有待解决的基本问题 -及其与宇宙学的关系 1）寻找Higgs玻色子 LHC, Tevatron 宇宙学 =质量起源 2) 标准模型之外的新物理？超对称，超空间 LHC，ILC, muon collider, 宇宙学 =暗物质 3) 标准模型的检验 夸克模型, QCD, 弱电统一理论 宇宙学 =物质的基本形态，宇宙
4、的形成与演化 4) CP破坏， CKM矩阵 B工厂、BEPC、LHCB 宇宙学 =反物质 5） CP破坏，MNS矩阵，中微子 反应堆中微子，长基线中微子及中微子工厂, 宇宙学 =暗物质，反物质，宇宙总质量，宇宙大尺度结构 高能量前沿 高能量与高精度前沿 高精度前沿 中国为什么要研究高能物理 高能物理研究是基础科学研究的根本之一 物质结构、宇宙起源与演化和生命起源及其本质 高能物理研究涉及国家安全和经济发展的关键技术 加速器 核探测技术与核电子学 真空，微波，高频，低温，网络，自控，。 作为基础科学研究提供了国际交流的平台 人才培养基地 研究物质结构，发展关键技术 开拓国际交流，培养高级人才 中
5、国高能物理的发展 参与国际大型高能物理实验合作 欧洲大型强子对撞机：LHC/ATLAS, CMS 日本B-工厂：KEKB/BELLE 地下与空间实验：KamLAND, T2K, AMS, 国际未来直线对撞机：ILC 基于国内的高能物理实验 北京正负电子对撞机（BEPC）及北京谱仪实验（BES） 大亚湾中微子实验 羊八井国际宇宙观测站 硬X射线调制望远镜 A careful balance of physics opportunities, financial resources, technological capabilities and needs, man power, experien
6、ce, Sino-Italian ARGO experiment (RPC hall) Sino-Japanese AS experiment (scintillation detector array) Sino-Italian ARGO experiment (part of RPC carpet) AS,ARGO: Cosmic-ray experiment 3TeV300GeV AS scintillation detector 高能物理中长期规划 未来发展：新实验，地下实验室？ BESII 物理研究 理论物理研究，核探测技术与电子学，。 200520102005 2010 ILC 国
7、际合作 BESIII 物理研究 BESIII 建设 ATLAS 与CMS物理研究国际合作：ATLAS 与CMS 建设 大亚湾实验建设大亚湾实验物理分析 加速器物理未来发展：新加速器？ 羊八井宇宙线ARGO羊八井宇宙线观测站 HXMTHXMT 数据分析 未来发展：新实验 ？ 北京正负电子对撞机 与 北京谱仪 北京正负电子对撞机(BEPC)由电子直线注入器、储存环 、 北京谱仪（BES）和北京同步辐射装置（BSRF）组成 84年动工，88年如期建成，并迅速达到设计指标。 BEPC II Storage ringBEPC II Storage ring: : Large angle, double-
8、ring RFRFSR IP Beam energy: 1-2 GeV Luminosity: 11033 cm-2s-1 Optimum energy: 1.89 GeV Energy spread: 5.16 10-4 No. of bunches: 93 Bunch length: 1.5 cm Total current: 0.91 A SR mode: 0.25A 2.5 GeV 储存环调试速度国际罕见 Oct. 25, 2007: accumulation of electron beams Oct. 31, 2007: accumulation of positron beams
9、 Nov. 18, 2007: first e+e- collision Collision of 500mA500mA 漂移室：测量带电粒子动量与径迹 3万根丝，单丝位置分辨率120mm 大亚湾中微子实验 物质世界的最基本单元之一：中微子 中微子是构成物质世界的最基本单元之一： 弱作用的宇称不守恒源于只有左旋中微子 中微子与反中微子是否同一个粒子？ 中微子质量极轻，不带电荷，与物质的相互作用 十分微弱。因此极难探测，需要用体积庞大的探 测器。 粒子物理标准模型认为中微子质量为零。 中微子简史 1930 泡利假设了中微子，以解决b衰变中能量不守恒问题 1956 Reines 和 Cowan 发
10、现中微子（1995 年诺贝尔奖） 1962 Lederman 等发现中微子（1988 年诺贝尔奖） 1957 Pontecorvo 提出中微子可以发生振荡 1968 Davis 发现太阳中微子丢失，中微子振荡？ （2002 年诺贝尔奖） 1998 超级神冈实验证实大气中微子丢失, 中微子振荡！ (2002 年诺贝尔奖） 2001 SNO 实验证实丢失的太阳中微子变成了其它中微子 2002 KamLAND 用反应堆实验证实太阳中微子振荡 中微子振荡开启了粒子物理，天体物理与宇宙学研究的新窗口 中微子振荡 1962年，因信仰共产主义而逃到前 苏联的Bruno Pontecorvo 提出如果 中微子
11、质量不严格为零，且中微子 的质量本征态与弱作用本征态不同 ，根据量子力学，不同的中微子之 间可以相互转换 判断中微子质量是否为零的方法 nene nmnm 大亚湾核电站是世界上最理想地点 功率高，2011年增加到17.4GW。 周围有山，便于建设地下实验室以屏蔽宇宙线本底。 宇宙线信号会与中微子讯号混淆，影响实验结果。 大亚湾的业主中国广东核电集团积极支持这项实验。 实验原理 全同探测器远近相对测量全同探测器远近相对测量 大的靶质量大的靶质量 本底屏蔽：地下，水屏蔽层本底屏蔽：地下，水屏蔽层(2.5(2.5米）米） 实验安排 通过近点与远点探 测器进行相对测量 ，以消除与反应堆 有关的系统误差
12、 两个近点与一个远 点探测器之间用隧 道连接，共3000m 事例率： 1200/day 近点 350/day 远点 本底： B/S 0.4% 近点 B/S 0.2% 远点 岭澳近点： 2个探测模块共 40 吨靶 500m至岭澳堆 顶层岩石覆盖: 112m 远点: 4个探测模块共 80 吨靶 1600m 至岭澳堆 1900m 至大亚湾堆 顶层岩石覆盖： 350m 大亚湾近点： 2个探测模块共 40 吨靶 360m至岭澳堆 顶层岩石覆盖: 98m 隧道入口 8% slope 0% slope 0% slope 0% slope 施工隧道入口 隧道总长度约 3100m 三个地下实验大厅 一个地下装配
13、大厅 一个地下水处理大厅 小结 中国的高能物理经过二十来年的发展，已在国际上 占有重要地位 Tau-Charm 能区具有丰富的物理，已取得丰硕成 果，随着BEPC的改进，有望取得更大的成果。 中微子物理是粒子物理未来发展的重要方向与热点 。大亚湾实验以有限的投资，可使中国步入粒子物 理研究的先进行列，取得极为重要的一流成果。 未来二十年，我们一定会看到我国粒子物理研究步 入世界先进行列 5.6.1 原子核的结合能 原子核由质子和中子组成 实验发现原子核的质量并不简单地归结为 所有质子的质量和中子的质量之和，而是 有微小的差异. 5.6 原子能及其应用 原子核的结合能 氘（D）是氢的同位素，在海
14、水中100万 个氢原子中约有150个氘原子。氘核是核 聚变反应的主要原料，它由一个质子和 一个中子组成，其结合能为： =（1.0078251.0086652.014102）931.5Mev =2.224Mev 5.6.2 原子能的可能释放模式 原子核衰变: 某一原子核自发地演变成 为另一种原子核并放出相应粒子的过程 87.84年 原子核裂变包含三种方式，一种是自发 裂变:重原子核自发地碎裂成两块，并放 出能量， 5.6.25.6.2 原子能的可能释放模式原子能的可能释放模式 中子诱发裂变: 在中子作用下而引发的 核裂变，并释放出2到3个中子的过程. 原子核碎裂: 高能粒子轰击到原子核上，将原子
15、 核击成很多碎块，并放出能量. 5.6.25.6.2 原子能的可能释放模式原子能的可能释放模式 原子核聚变: 由轻原子核融合成质量数较 大的核并放出能量的过程. 5.6.3 原子能的和平利用 核反应的效率是化学反应的106108倍， 即1百万到1亿倍 碳排放（carbon emissiont）: 二氧化碳和其它温室气体的排放 六种温室气体: 二氧化碳，甲烷（CH4）、氧化亚氮（ N2O）、氢氟碳化物 ( HFCS）、全氟 化碳（PFCS）、六氟化硫（SF6） GWF（全球变暖因子）可换算这些气 体释放热量的能力 将二氧化碳的全球变暖因子设为1，其 他温室气体以此为标准单位来换算， 例如甲烷的全球变暖因子是21，氧化 氩氮是310，全氟碳化物的全球变暖 因子在5000到14000之间 世界二氧化碳排放量最高的五个国家 (2009.12.08) 中国 31亿吨 美国 28亿吨 印度 6.3亿 俄罗斯 4.7亿吨, 德国 4.3亿吨 经济发展与能源消耗紧密相关经济发展与能源消耗紧密相关 低碳经济需要低碳或无碳能源低碳经济需要低碳或无碳能源 能源的比例: 中国能源消耗的结构: 清洁能源 水电 (3963 亿度/ 2497516%, 2004年 ) 风能 风能 潮汐潮汐 太阳能太阳能 核电核电, , 裂变电站裂变电站 未来能源的要求未来能源的要求
