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1、第十三讲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5.5.1 奇妙的规范对称性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
2、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：规范变换的不变性。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：电荷守恒对应着一种抽象的对称性：规范变换的
3、不变性。规范变换的不变性。5.5 相互作用的统一( )( )xexiTjj5.5.25.5.2 标准模型标准模型标准模型标准模型 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粒子物理中的标准模型 物质由三代轻子与夸克构成物质由三代轻子与夸克构成: 传递相互作用的粒子传递相互作用的粒子: 光子光子 电磁作用电磁作用W和和 Z 弱作用弱作用
4、胶子胶子 强作用强作用量子色动力学量子色动力学 (QCD) 质量起源质量起源 Higgs (刚找到？刚找到？) ee bsdtcu电弱统一理论电弱统一理论Richard FeynmanShared 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粒子物理中有待解决的基本问题-及其与宇宙学的关系及其与宇宙学的关系1）寻找）寻找Higgs玻色子玻色子LHC, Tevatron 宇宙学宇宙学 =质量起源质量起源 2) 标准模
5、型之外的新物理？超对称，超空间标准模型之外的新物理？超对称，超空间 LHC，ILC, muon collider, 宇宙学宇宙学 =暗物质暗物质 3) 标准模型的检验标准模型的检验 夸克模型夸克模型, QCD, 弱电统一理论弱电统一理论 宇宙学宇宙学 =物质的基本形态，宇宙的形成与演化物质的基本形态，宇宙的形成与演化 4) CP破坏，破坏， CKM矩阵矩阵 B工厂、工厂、BEPC、LHCB 宇宙学宇宙学 =反物质反物质 5） CP破坏，破坏，MNS矩阵，中微子矩阵，中微子 反应堆中微子，长基线中微子及中微子工厂反应堆中微子，长基线中微子及中微子工厂, 宇宙学宇宙学 =暗物质，反物质，宇宙总质量
6、，宇宙大尺度结构暗物质，反物质，宇宙总质量，宇宙大尺度结构高能量前沿高能量前沿高能量与高精度前沿高能量与高精度前沿高精度前沿高精度前沿中国为什么要研究高能物理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 加速器加速器 核探测技术与核电子学核探测技术与核电子学 真空，微波，高频，低温，网络，自控，。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
7、平台作为基础科学研究提供了国际交流的平台 人才培养基地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，培养高级人才中国高能物理的发展中国高能物理的发展 参与国际大型高能物理实验合作参与国际大型高能物理实验合作 欧洲大型强子对撞机：欧洲大型强子对撞机：LHC/ATLAS, CMS 日本日本B-工厂：工厂：KEKB/BELLE 地下与空间实验：地下与空间实验：KamLAND, T2K, AMS, 国际未来直线对撞机：国际未来直线对撞机：ILC 基于国内的高能物理实验基于国内的高能物理实验 北京正负电子对撞机（北京正负电子对撞机（BEPC）
8、及北京谱仪实验（）及北京谱仪实验（BES） 大亚湾中微子实验大亚湾中微子实验 羊八井国际宇宙观测站羊八井国际宇宙观测站 硬硬X射线调制望远镜射线调制望远镜A careful balance of physics opportunities, financial resources, technological capabilities and needs, man power, experience, Sino-Italian ARGO experiment (RPC hall)Sino-Japanese AS experiment (scintillation detector array)
9、 Sino-Italian ARGO experiment (part of RPC carpet)AS,ARGO: Cosmic-ray experiment3TeV300GeVAS scintillation detector高能物理中长期规划高能物理中长期规划未来发展：新实验，地下实验室？未来发展：新实验，地下实验室？未来发展：新实验，地下实验室？未来发展：新实验，地下实验室？BESII 物理研究物理研究BESII 物理研究物理研究理论物理研究，核探测技术与电子学，。理论物理研究，核探测技术与电子学，。理论物理研究，核探测技术与电子学，。理论物理研究，核探测技术与电子学，。2005201
10、020052010ILC 国际合作国际合作ILC 国际合作国际合作BESIII 物理研究物理研究BESIII 物理研究物理研究BESIII 建设建设BESIII 建设建设ATLAS 与与CMS物理研究物理研究ATLAS 与与CMS物理研究物理研究国际合作：国际合作：ATLAS 与与CMS 建设建设国际合作：国际合作：ATLAS 与与CMS 建设建设大亚湾实验建设大亚湾实验建设大亚湾实验建设大亚湾实验建设大亚湾实验物理分析大亚湾实验物理分析大亚湾实验物理分析大亚湾实验物理分析加速器物理未来发展：新加速器？加速器物理未来发展：新加速器？加速器物理未来发展：新加速器？加速器物理未来发展：新加速器？羊
11、八井宇宙线羊八井宇宙线羊八井宇宙线羊八井宇宙线ARGOARGO羊八井宇宙线观测站羊八井宇宙线观测站羊八井宇宙线观测站羊八井宇宙线观测站HXMTHXMTHXMT 数据分析数据分析HXMT 数据分析数据分析未来发展：新实验 ？未来发展：新实验 ？未来发展：新实验 ？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与北京谱仪北京正负电子对撞机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（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（）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）组成84年动工，88年如期建成
12、，并迅速达到设计指标。BEPC II Storage ringBEPC II Storage ringBEPC II Storage ringBEPC II Storage ring: :Large angle, double-ring Large angle, double-ring RFRFSRIP22 mrad2.5m8ns1.5cm0.1cmBeam 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 le
13、ngth: 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 Nov. 18, 2007: first e+e- collisionCollision of 500mA 500mA漂移室：测量带电粒子动量与径迹漂移室：测量带电粒子动量与径迹3万根丝，单丝位置分辨率万根丝，单丝位置分辨率120 m大亚湾中微子实验大亚湾
14、中微子实验物质世界的最基本单元之一：中微子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：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。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。粒子物理标准模型认为中微子质量为零。 ee bsdtcu中微子简史中微子简史1930 泡利假
15、设了中微子，以解决衰变中能量不守恒问题 1956 Reines和Cowan 发现中微子1930 泡利假设了中微子，以解决衰变中能量不守恒问题 1956 Reines和Cowan 发现中微子（1995 年诺贝尔奖）（1995 年诺贝尔奖） 1962 Lederman 等发现中微子1962 Lederman 等发现中微子（1988 年诺贝尔奖）（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？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）（2002 年诺贝尔奖） 1998 超级神冈实验证实大气中微子丢失, 1998 超级神冈实验证实大气中微子丢失, 中微子振荡！中微子振荡！ (2002 年诺贝尔奖）(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开启了粒子物理，天体物理与宇宙学研究的新窗口
