粒子物理的研究与展望

《自然辩证法概论》课程论文诚信声明我郑重声明：本人提交的《自然辩证法概论》课程论文是由本人独立完成的，在正文中和在文末的参考文献中已全部标注并列出了文中所引用的他人的学术成果、观点、图表或论述，保证此文符合学术道德规范的要求。声明人签名：日期：2011年11月29日粒子物理的研究与展望摘要：文章简要介绍目前粒子物理的基本理论，包括基本粒子，守恒律，以及已经建立的标准模型，并对未来粒子物理研究的展望。关键词：粒子物理；基本粒子；守恒律；夸克；弱相互作用我们生活在地球上，面对着五彩缤纷、变幻莫测的世界，仰视太空，满天星斗；俯视大地，声光热电。当我们思考宇宙的时候，第一个问题往往是世界是由什么构成的，是什么力量维系着这个巨大而复杂的世界。这个问题和人类历史一样古老，是科学上一个探索不尽的主题。对于这个问题的回答，粗略地说，世界是由基本粒子组成的，它们之间是靠相互作用聚集在一起的。那么究竟什么是基本粒子呢？随着科学技术的发展，今天称之为“基本”的粒子，明天就不再是基本的，即“基本粒子”并不是一成不变的东西。就如：远古时期，我国的“五行”学说、古希腊的“原子”学说；19世纪初，人们认为92种元素是组成物质的基本单元；19世纪末20世纪初，人们认为质子和中子是不可分了，是“基本”粒子；20世纪50年代，类似于质子、中子的“基本粒子”大量地涌现出来；当发现中子和质子还有内部结构时，它们就不再是基本粒子了。于是，随着人们对物质世界研究尺度的不断深入，粒子物理这个新兴学科产生了。一什么是粒子物理粒子物理是当今物理学的前沿之一，是一门研究物质的微观结构、基本相互作用和运动规律的学科，它的研究目的是寻找物质的基本结构和支配这些物质的规律。由于许多基本粒子在大自然在一般条件下不存在或不单独出现，物理学家只有使用粒子加速器在高能相撞的条件下才能生产和研究它们，因此粒子物理学也被称为高能物理学。其主要特点是：1．有人以为原子弹能发出巨大能量，一定与高能物理有密切关系．其实，这是一个很大的误解．原子弹(或氢弹)内发生的微观过程，都属于低能范畴，核能的巨大，是宏观效应，是阿伏伽德罗常量起了桥梁作用．而在粒子物理研究的微观过程中，涉及的能量一般都在京电子伏以上，但是，至今为止人们还没有办法过渡到宏观．因此，粒子物理与能源利用尚无关系，目前纯属基础研究的范畴。2．高能物理最大的特点是表示体系的结合能与mc2比值远远大于1。3．与上面的特点相联系，正、反粒子的涅灭和产生成了粒子物理中普遍的现象。其中正、负电子的涅灭为最常见的例子。它们涅灭时产生一对能量为0.51MeV的γ光子，称为“湮灭辐射”。这一现象最早为我国核物理学家赵忠尧在1930年所发现。因此，有人主张，把预言第一个反粒子(e+)的年代，或发现的年代，作为粒子物理的开端。二粒子家族[1]基本粒子的尺度都非常小的，要研究它们的性质和相互作用，常需要有高能粒子进行碰撞。在20世纪五六十年代，由于高能加速器和探测器的开始建造，各种类似于质子、中子这样的粒子如雨后春笋纷纷闪现在物理学家的面前，数目达300多种。随着数目的不断增多，研究起来就显得很不方便，记忆也困难，我们根据粒子的质量和相互作用的不同进行分类。1强子强子就是所有参与强力作用的粒子的总称。它们由夸克组成，已发现的夸克有六种，它们是：顶夸克、上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克和底夸克。其中理论预言顶夸克的存在，2007年1月30日发现于美国费米实验室。现有粒子中绝大部分是强子，质子、中子、π介子等都属于强子。(另外还发现反物质,有著名的反夸克,现已被发现且正在研究其利用方法，由此我们推测，甚至可能存在反地球,反宇宙)奇怪的是夸克中有些竟然比质子还重，这一问题还有待研究。2轻子轻子就是只参与弱力、电磁力和引力作用，而不参与强相互作用的粒子的总称。轻子共有六种，包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。电子、μ子和τ子是带电的，所有的中微子都不带电，且所有的中微子都存在反粒子；τ子是1975年发现的重要粒子，不参与强作用，属于轻子，但是它的质量很重，是电子的3600倍，质子的1.8倍，因此又叫重轻子。而且，已经发现的轻子包括电子、μ子（渺子）、τ子（陶子，重轻子）三种带一个单位负电荷的粒子，分别以e-、μ-、τ-表示，以及它们分别对应的电子中微子、μ子中微子、τ子中微子三种不带电的中微子，分别以ve、νμ、ντ表示。加上以上六种粒子各自的反粒子，共计12种轻子。轻子不一定都很轻，τ子的质量比很多重子都大。轻子是基本粒子的一族，与玻色子和夸克不同。所有已知带电轻子都可带有一正电荷或一负电荷，视他们为粒子和反粒子。所有中微子和它们的反粒子都是电中性的。3传播子传播子也属于基本粒子。传递强作用的胶子共有8种，1979年在三喷注现象中被间接发现，它们可以组成胶子球，由于色禁闭现象，至今无法直接观测到。光子传递电磁相互作用，而传递弱作用的W+，W-和Z0，胶子则传递强相互作用。重矢量玻色子是1983年发现的，非常重，是质子的80-90倍。[2]基本粒子产生的方法有两种，一种是宇宙射线，另一种是高能加速器。所谓宇宙射线，是来自宇宙空间的高能粒子流，具有很强的穿透力。宇宙射线包括初级射线和次级射线，是含有高能粒子的天然来源，其中有些粒子的能力很高，比当今世界上最大的高能加速器的能力还要高10亿倍，这里宇宙射线作为粒子源的优点。但是，由于宇宙射线的束流强度极弱，能量不单一，而且具有很大的随机性，不能控制使用，只适宜用于定性或半定量的研究。高能加速器，是一种能把带电粒子加速到高能量的机器，是人工产生高能粒子的办法。高能加速器作为一种人工粒子源，具有能量高、便于控制使用等优点。其建造，极大的推动了粒子物理的发展。高能加速器按其加速的粒子，可分为质子加速器、电子加速器、重离子加速器等。按其形状可分为直线型加速器和回旋同步加速器。北京正负电子对撞机简称:BEPC北京正负电子对撞机是世界八大高能加速器中心之一。北京正负电子对撞机（BEPC）是我国第一台高能加速器，是高能物理研究的重大科技基础设施。由长202米的直线加速器、输运线、周长240米的圆型加速器（也称储存环）、高6米重500吨的北京谱仪和围绕储存环的同步辐射实验装置等几部分组成，外型象一只硕大的羽毛球拍。三守恒律[3]当我们深入到粒子物理领域时，质能守恒、角动量守恒、动量守恒、电荷守恒这些守恒律仍旧有效。在任何过程中，均未发现这些守恒律遭到破坏的事例。同时，粒子物理领域还遵守其它的守恒律。1重子数和轻子数重子数B：所有的重子B=1，反重子B=-1，介子和轻子B=0。那么我们发现，在有的衰变过程中，虽然粒子数不守恒，但是重子数的代数和总是守恒的。并且两类轻子数Le和Lμ的代数和也必须守恒。2奇异数西岛和盖尔曼独立地提出，基本粒子除了质量、电荷、自旋、同位旋、重子数、轻子数等量子数以外，还应有个新的量子数，称之为奇异数S；并假定，在强作用过程中奇异数守恒，而S不守恒的过程只能是弱作用过程。3宇称原理的失效宇称是表征微观粒子运动特性的一个物理量。宇称原理说：对于一个孤立体系，不论经过什么样的相互作用，它的宇称不变；原来为偶宇称的，后来仍为偶宇称，原来为奇宇称的，后来也是奇宇称。从物理意义上说，宇称原理是指：物理规律在坐标反演下不变，这是指描写运动规律的微分方程不变，并非运动不变。自1924年提出宇称概念以来，在大量实验中证明宇称原理是正确的，可以作为一条指导性法则。但是，到了1956年，李政道和杨振宁面对“τ-θ之谜”就怀疑宇称原理在弱相互作用过程中是否成立。在深入细致地研究了各种因素之后，他们大胆断言：τ和θ是完全相同的同一种粒子(后来被称为K介子)，但在弱相互作用的环境中，它们的运动规律却不一定完全相同，通俗地说，这两个相同的粒子如果互相照镜子的话，它们的衰变方式在镜子里和镜子外居然不一样！用科学语言来说，“θ-τ”粒子在弱相互作用下是宇称不守恒的.在最初，“θ-τ”粒子只是被作为一个特殊例外，人们还是不愿意放弃整体微观粒子世界的宇称守恒。此后不久，同为华裔的实验物理学家吴健雄用一个巧妙的实验验证了“宇称不守恒”，从此，“宇称不守恒”才真正被承认为一条具有普遍意义的基础科学原理。经分析，大胆提出挑战，在弱相互作用领域里，宇称原理从未得到实验的检验，而是作为一种自然的推论而被普遍接受。吴健雄用两套实验装置观测钴60的衰变，她在极低温(0.01K)下用强磁场把一套装置中的钴60原子核自旋方向转向左旋，把另一套装置中的钴60原子核自旋方向转向右旋，这两套装置中的钴60互为镜像。实验结果表明，这两套装置中的钴60放射出来的电子数有很大差异，而且电子放射的方向也不能互相对称。实验结果证实了弱相互作用中的宇称不守恒。[4]接下来做的一系列的弱相互作用的实验，都证明宇称原理在弱作用中的失效。如何解释这一事实呢？1957年，杨振宁、李政道，还有萨拉姆及朗道都提出，“失效原因”在于中微子：中微子本身是左右最不对称的粒子。中微子的自旋永远与其运动方向相反，即服从左手定则，称之左旋中微子，而反中微子的自旋指向则永远与其运动方向一致，即符合右手定则，称之右旋反中微子。宇称原理在中微子身上遭到最大的破坏。这一假设很快被实验所证实，并称之为“二分量中微子理论”。四标准模型标准模型是最近二三十年里逐渐建立发展起来的粒子物理体系，它综合了粒子物理已经取得的实验和理论成果。标准模型认为物质的基本组成单元是三代轻子与夸克。它们间存在四种基本相互作用：引力（引力子g传递，目前尚未发现），电磁相互作用（光子γ传递），弱相互作用（由中间玻色子传递），和强相互作用（由胶子G传递）。描写强相互作用的理论为量子色动力学，把电磁和弱相互作用统一起来描写的理论则是弱电统一理论。1弱电统一理论[5]弱相互作用的第一个理论是费米在1934年建立的中子β衰变理论。费米认为，在β衰变过程中，中子变成质子，同时中微子变成电子。中子和质子被认为形成一个与电流类似的带电的矢量流（记为V流），中微子与电子形成另一个矢量电流。四个费米子在一点的弱作用，可看成是矢量流与矢量流的相互作用，它保持宇称不变。由于弱作用力程太短，所以费米假定这四个粒子是在同一点发生相互作用的。由于这四个粒子都是费米子，所以称这个理论为四费米子理论。1958年，费曼和盖尔曼与马尔萨克和苏达珊两组理论家几乎同时提出了“V－A”理论，修改费米理论。弱电统一理论还有一个关键性粒子，即希格斯粒子，一种自旋为零的中性粒子。弱电统一理论通过引入真空对称自发破缺机制使中间玻色子获得质量，我们已经见到理论预言的质量竟然和实验结果惊人的符合。标准模型理论认为希格斯场均匀布满整个空间，所谓真空，或能量最低态就是由它构成的。希格斯粒子也参与相互作用的传递，并负责给所有的粒子，也包括轻子和夸克提供质量。但是至今实验中尚未发现希格斯粒子。估计mH的下线为90GeV,上限为TeV量级。人们期待在TeV级对撞机中找到这种玻色子。这也是CERN所建LHC对撞机的主要实验目标之一。[3]2夸克模型[6]1964年，美国科学家盖尔曼提出了关于强子结构的夸克模型。夸克也是一种费米子，即有自旋1/2。因为质子、中子的自旋为1/2，那么三个夸克，如果两个自旋向上，一个自旋向下，就可以组成自旋为1/2的质子、中子。J/ψ粒子由丁肇中等人于1974年发现，它实际上是由粲夸克和反粲夸克组成的夸克对。凡是由三个夸克组成的粒子称为重子，重子和介子统称强子，因为它们都参与强相互作用，故有此名。原子核中质子间的电斥力十分强，可是原子核照样能够稳定存在，就是由于强相互作用力（核力）将核子们束缚住的。由夸克模型，夸克是带分数电荷的，每个夸克带+2/3e或-1/3e电荷（e为质子电荷单位）。现代粒子物理学认为，夸克共有6种，分别称为上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克、底夸克，它们组成了所有的强子，如一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成，则上夸克带+2/3e电荷，下夸克带-1/3e电荷。上、下夸克的质量略微不同