1、第第11章章: 基本粒子基本粒子Chapter 11: Fundamental Particles 質子、中子、電子和它們的反粒子及質子、中子、電子和它們的反粒子及 子、子、 介子、介子、K介子等。到目前為止，介子等。到目前為止， 已經發現了已經發現了800800多種多種“基本基本”粒子粒子( (包括共振態粒子包括共振態粒子) )。基本粒子：基本粒子：構成物質世界的基本單元。構成物質世界的基本單元。正粒子和反粒子具有相同的質量、自旋、壽命，但電正粒子和反粒子具有相同的質量、自旋、壽命，但電荷等值反號，磁矩大小相等方向相反。從理論上說，荷等值反號，磁矩大小相等方向相反。從理論上說，還應該有這些反

2、粒子組成的反原子核、反原子、反物還應該有這些反粒子組成的反原子核、反原子、反物質等。質等。 11.1 什么是基本粒子什么是基本粒子 11.2 粒子年譜粒子年譜 11.3 高能粒子源高能粒子源宇宙射線宇宙射線加速器、對撞機加速器、對撞機美國費米實驗室美國費米實驗室 1995 Top Quark 費米國立加速器實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory，縮寫：Fermilab或 FNAL，簡稱費米國家實驗室或者費米實驗室。），是隸屬于美國能源部的一所美國國家實驗室，位于美國伊利諾斯州巴達維亞附近的草原上。歐洲核子中心歐洲核子中心斯坦福直線加速器斯坦福直線加速

3、器Stanford Linear Accelerator SLAC3kmRelativistic Heavy Ion ColliderBrookhaven National Lab, NY可把重離子加速至可把重離子加速至 200GeV( (v=0.99995c) )對對撞，溫度于極短時撞，溫度于極短時間達到間達到1012 K，重塑宇宙初開時的狀況。，重塑宇宙初開時的狀況。1km由前表可知由前表可知“基本基本”粒子包括粒子包括: : 光子（屬于規范玻色子）。光子（屬于規范玻色子）。 輕子輕子 不參與強相互作用的費米子。不參與強相互作用的費米子。1 1 強子強子 一切參與強相互作用的粒子通稱為強子

4、。一切參與強相互作用的粒子通稱為強子。 強子又強子又包括介子和重子。包括介子和重子。此外還有一些壽命極短的共振態。基本粒子相互碰撞時，可此外還有一些壽命極短的共振態。基本粒子相互碰撞時，可以產生一種狀態，即兩、三個粒子短時結合在一起，成為一以產生一種狀態，即兩、三個粒子短時結合在一起，成為一個粒子，這稱為共振態。個粒子，這稱為共振態。發現的共振態已有好幾百種，如果把它們都作為發現的共振態已有好幾百種，如果把它們都作為“基本基本”粒粒子，那末連同前表中的粒子，粒子數將超過子，那末連同前表中的粒子，粒子數將超過800800種種! ! 11.4 “基本基本”粒子的分類粒子的分類穩定穩定2.32.2中

5、中微微子子電子電子子子子子穩定穩定-1 +10-1 +1-1 +1-1 +10001/2輕輕 子子壽命壽命10-6s輕子數輕子數重子數重子數B電荷量電荷量e自旋自旋正反正反粒子粒子分類分類eeeeLLLe 輕子（輕子（共共6 6種，計及反粒子共種，計及反粒子共1212種種） 子的質量是電子的子的質量是電子的倍；倍； 子的質量大約是電子的倍！子的質量大約是電子的倍！中微子是中性粒子，質量為零，只參與弱相互作用。中微子是中性粒子，質量為零，只參與弱相互作用。中微子的自旋方中微子的自旋方向（按右螺旋法向（按右螺旋法則）與運動方向則）與運動方向相反；反中微子相反；反中微子的自旋方向與運的自旋方向與運動

6、方向一致。動方向一致。 v v vv1988年，美國物理學家萊德曼年，美國物理學家萊德曼(左左)(Leon Lederman)、施瓦茨、施瓦茨(中中)(Melvin Schwartz)和瑞士物理學家斯坦博格和瑞士物理學家斯坦博格(右右)(Jack Steinberger)由于對中微子由于對中微子性質的研究被授予性質的研究被授予Nobel物理獎。物理獎。 中微子是泡利于中微子是泡利于1930年預言的，年預言的，1954年美國物理學家萊因斯年美國物理學家萊因斯(右右)(Frederick Reines)探測到了中微子的存在，他因此探測到了中微子的存在，他因此與與 子的發現人珀爾子的發現人珀爾(左左

7、)(Martin Perl)共同共同獲得獲得 1995年年Nobel物理獎。物理獎。小柴昌俊在得獎后說：小柴昌俊在得獎后說：“我是以我是以倒數第一倒數第一的成績畢業的，但東的成績畢業的，但東京大學卻接受我當了講師、教授，我非常感謝東大的知遇之京大學卻接受我當了講師、教授，我非常感謝東大的知遇之恩。恩。” 2002年，美國物理學家戴維斯年，美國物理學家戴維斯(左左)(Raymond Davis)和日本物理學家小柴和日本物理學家小柴昌俊昌俊(中中)(Masatoshi Koshiba)由于在探測宇宙中微子方面取得的成就，由于在探測宇宙中微子方面取得的成就，與在發現宇宙射線源方面取得重要成就的美國物

8、理學家賈科尼與在發現宇宙射線源方面取得重要成就的美國物理學家賈科尼(右右) (Riccardo Giacconi)，分享了，分享了Nobel物理獎。物理獎。分類分類粒子名稱粒子名稱自旋自旋介子介子 、 、 K介子等介子等整數整數玻色子玻色子重子重子核子核子質子、中子及其反粒子質子、中子及其反粒子1/2(超子超子 3/2)費米子費米子超子超子超子及反粒子超子及反粒子 強子強子K 介子和各種超子稱為奇異粒子。實驗中發現以下現象介子和各種超子稱為奇異粒子。實驗中發現以下現象 協同產生協同產生: : 一個超子總是和一個或幾個一個超子總是和一個或幾個K K介子同時產生。介子同時產生。奇異粒子協同產生的過

9、程極快奇異粒子協同產生的過程極快( (約為約為1010-23-23s),s),表明是在強表明是在強 相互作用下進行的；而衰變過程很慢相互作用下進行的；而衰變過程很慢( (壽命約為壽命約為1010-8 -8 1010-10-10s)s)，表明是在弱相互作用下進行的。，表明是在弱相互作用下進行的。 1959年，我國物理學家王淦昌在年，我國物理學家王淦昌在蘇聯杜布納聯合原子核研究所領導一蘇聯杜布納聯合原子核研究所領導一個研究小組，在世界上首次發現了反個研究小組，在世界上首次發現了反西格馬負超子（即西格馬負超子（即 ）。）。 王淦昌（王淦昌（1907- -1998），江蘇常），江蘇常熟人，中國實驗原子

10、核物理、宇宙射熟人，中國實驗原子核物理、宇宙射線及基本粒子物理研究的主要奠基人線及基本粒子物理研究的主要奠基人和開拓者，在國際上享有很高的聲譽。和開拓者，在國際上享有很高的聲譽。中國中國“兩彈一星元勛兩彈一星元勛” 之一。之一。實驗證明，除輕子還未發現有任何內部結構外，核子、超子、實驗證明，除輕子還未發現有任何內部結構外，核子、超子、介子即介子即所有的強子都還能細分所有的強子都還能細分。 1963年，蓋爾曼等人提出強子由夸克組成的模型。幾乎同年，蓋爾曼等人提出強子由夸克組成的模型。幾乎同時，我國部分物理學家也提出類似的層子模型。時，我國部分物理學家也提出類似的層子模型。 夸克模型夸克模型( (

11、或層子模型或層子模型) )認為，所有的重子都由三種夸克組成，認為，所有的重子都由三種夸克組成，所有反重子都由三種反夸克組成，所有的介子都由一種夸克與所有反重子都由三種反夸克組成，所有的介子都由一種夸克與一種反夸克組成。一種反夸克組成。 當初提出的夸克有：上夸克當初提出的夸克有：上夸克( (記作記作u)u)、下夸克、下夸克(d)(d)和奇異夸和奇異夸(s)(s)，后來又提出粲夸克，后來又提出粲夸克(c)(c)，最后提出底夸克，最后提出底夸克(b)(b)和頂夸克和頂夸克(t)(t)。 后兩種夸克有時使用更具藝術性的新名稱：美夸克和真夸后兩種夸克有時使用更具藝術性的新名稱：美夸克和真夸克。這六種夸克

12、被稱作帶有六種克。這六種夸克被稱作帶有六種“味道味道”的夸克，并被分為三的夸克，并被分為三“代代”。 11.5 強子的夸克模型強子的夸克模型原子原子原子核原子核質子質子/中子中子夸克夸克 夸克一詞是蓋爾曼取自夸克一詞是蓋爾曼取自愛爾蘭著名作家愛爾蘭著名作家詹姆斯詹姆斯喬埃斯喬埃斯( (James Joyce) )的小說的小說芬尼根徹夜祭芬尼根徹夜祭( (Finnegans Wake, ,也有人譯為也有人譯為芬尼根守靈夜芬尼根守靈夜) )中的一段怪誕的詩句：中的一段怪誕的詩句： 三五海鳥把脖子伸直，三五海鳥把脖子伸直， 向著紳士馬克三呼向著紳士馬克三呼夸克夸克。 除了三聲除了三聲“夸克夸克”，

13、馬克一無所獲；馬克一無所獲； 除了冀求的目標，除了冀求的目標， 全部都歸馬克。全部都歸馬克。 夸克在該作品中具有多種含義，其中之一是一種海鳥的夸克在該作品中具有多種含義，其中之一是一種海鳥的叫聲。蓋爾叫聲。蓋爾- -曼為了說明這些粒子的神秘莫測，就取了曼為了說明這些粒子的神秘莫測，就取了“夸夸克克”這個名字。這個名字。+n+基本粒子基本粒子原子核原子核原子原子duu原子核原子核中子中子由質子和中子組成由質子和中子組成由原子核與電子組成由原子核與電子組成質子和中子各由三個夸克組成質子和中子各由三個夸克組成質子質子夸克夸克電子電子由基本粒子到原子由基本粒子到原子M. Gell-Mann，因對因對基

14、本粒子及其相互作基本粒子及其相互作用的分類榮獲用的分類榮獲1969年年諾貝爾物理獎。諾貝爾物理獎。M. Gell-Mann：“我對父親說我要學習語言學或人類學，他卻說：我對父親說我要學習語言學或人類學，他卻說：那你會餓死的！那你會餓死的！他建議我學工程，但我回答：他建議我學工程，但我回答：我情愿餓我情愿餓著！著！. . 父親和我只好來了個折中：父親和我只好來了個折中：那你就學物理吧！那你就學物理吧！我我在耶魯大學開始學物理的時候，簡直是特別的頭痛，真是一點也不喜在耶魯大學開始學物理的時候，簡直是特別的頭痛，真是一點也不喜歡歡.”.”M. Gell-Mann極具語言極具語言天賦，會多種語言，甚天

15、賦，會多種語言，甚至至“包括狗的語言包括狗的語言”！ 人們發現：像人們發現：像 -和和 +，都由三個同類夸克組成，夸克是，都由三個同類夸克組成，夸克是費米子，這就不可能滿足泡利原理。為了解決這一矛盾，格費米子，這就不可能滿足泡利原理。為了解決這一矛盾，格林伯格林伯格(O. Greenberg)在在1964年提出每種夸克有三種顏色：年提出每種夸克有三種顏色：紅、黃、藍。這里的紅、黃、藍。這里的“顏色顏色”與宏觀的意義當然不同，只不與宏觀的意義當然不同，只不過是指三種不同的量子數罷了。這樣一來，問題自然得到解過是指三種不同的量子數罷了。這樣一來，問題自然得到解決，但付出的代價是，夸克的數目增加為原

16、來的三倍。決，但付出的代價是，夸克的數目增加為原來的三倍。 1974年，丁肇中和里克特年，丁肇中和里克特(B. Richter )獨立地發現了一個獨立地發現了一個新穎粒子，他們分別稱它為新穎粒子，他們分別稱它為J粒子和粒子和 粒子，現在統稱粒子，現在統稱J 粒粒子。它的質量比質子大三倍，它以共振態形式出現，但是壽子。它的質量比質子大三倍，它以共振態形式出現，但是壽命卻比普通的強子共振態長命卻比普通的強子共振態長100倍這是十分奇特的粒子。正倍這是十分奇特的粒子。正像丁肇中所說：像丁肇中所說：“發現了高壽一萬歲的新人種。發現了高壽一萬歲的新人種。”理論計算理論計算很快地證實，很快地證實，J 是由

17、一個粲夸克與一個反粲夸克組成的。是由一個粲夸克與一個反粲夸克組成的。 粲夸克在普通強子中是不存在的，它由格拉肖等人在粲夸克在普通強子中是不存在的，它由格拉肖等人在1970年從理論上預言。年從理論上預言。J 粒子是第一次從實驗上顯出粲夸克的粒子是第一次從實驗上顯出粲夸克的存在，從而為夸克模型的真實性提供有力的證據正由于粲存在，從而為夸克模型的真實性提供有力的證據正由于粲夸克與普通夸克性質不同，難以轉化，因此夸克與普通夸克性質不同，難以轉化，因此J 粒子的壽命粒子的壽命特別長。特別長。丁肇中丁肇中(Samuel C. C. Ting)，因，因J/ 粒子的發現而榮獲粒子的發現而榮獲1976年年諾諾貝

18、爾物理獎。貝爾物理獎。Pandacharm-quark有人用熊貓比作粲夸克，因為熊貓很重、很美，又很罕見。有人用熊貓比作粲夸克，因為熊貓很重、很美，又很罕見。 自從提出夸克模型以來，人們已用了各種辦法企圖尋找自由自從提出夸克模型以來，人們已用了各種辦法企圖尋找自由夸克，不過，至今尚無結果然而，夸克模型的結果與一系列夸克，不過，至今尚無結果然而，夸克模型的結果與一系列實驗事實相符很好，使得人們相信夸克是存在的那末夸克為實驗事實相符很好，使得人們相信夸克是存在的那末夸克為什么老是不露面呢什么老是不露面呢?理論家已提出了各種夸克禁閉理論，不過，理論家已提出了各種夸克禁閉理論，不過，我們至今不能說對它

19、已有了基本的了解我們至今不能說對它已有了基本的了解“看不見夸克看不見夸克”與與“對稱性的破缺對稱性的破缺”可以算為當代物理學前沿的兩大世界難題可以算為當代物理學前沿的兩大世界難題 夸克靠什么作用組成強子呢夸克靠什么作用組成強子呢?人們提出：這是一種真正的強人們提出：這是一種真正的強相互作用，其傳播子是膠子相互作用，其傳播子是膠子.1979年丁肇中領導的小組首次找年丁肇中領導的小組首次找到了支持膠子存在的證據，從而證明了與此相聯系的到了支持膠子存在的證據，從而證明了與此相聯系的“量子色量子色動力學動力學”(QCD)的巨大成功的巨大成功 11.6 標準模型與相互作用標準模型與相互作用 標準模型是最

20、近三、四十年里逐步建立發展起來的粒子物標準模型是最近三、四十年里逐步建立發展起來的粒子物理體系，它綜合了粒子物理已取得的實驗和理論成果。理體系，它綜合了粒子物理已取得的實驗和理論成果。標推標推模型認為物質的基本組成單元是三代輕子與夸克。模型認為物質的基本組成單元是三代輕子與夸克。它們之間它們之間存在四種基本相互作用；即引力存在四種基本相互作用；即引力(引力子傳遞，目前尚未發引力子傳遞，目前尚未發現現)，電磁相互作用，電磁相互作用(光子傳遞光子傳遞)，弱相互作用，弱相互作用(由中間玻色子傳由中間玻色子傳遞遞)，和強相互作用，和強相互作用(由膠子傳遞由膠子傳遞)；描述強相互作用的理論為；描述強相互作用的理論為量子色動力學，把電磁和弱相互作用統一起來描寫的理論則量子色動力學，把電磁和弱相互作用統一起來描寫的理論則是弱電統一理論。是弱電統一理論。粒子物理標準模型粒子物理標準模型微觀物質基微觀物質基本相互作用本相互作用基本粒子分類基本粒子分類 強強(色色)相互作用相互