粒子物理标准模型课件.ppt

1、粒子物理标准模型-the firstl组成物质的最小单元：夸克、胶子l最基本的相互作用：强作用、弱作用、电磁作用、引力作用l粒子物理的标准模型强作用弱作用电磁作用l 基本粒子：轻子（电子、缪子、中微子）、强子（介子、重子）l 轻子与强子的区别：轻子之间不能，而强子之间能“直接”发生强作用。l 强子由种类不多的夸克做成的，而且夸克不能作为“自由粒子出现”，用专业术语来说，夸克是被“禁闭”的，所以夸克和轻子处在同一前沿，是构成物体的、已知的最小单元。奠定了标准模型在物质结构方面的坚实根基四种相互作用l强作用的强度比弱作用大许多，从而他们分别得“强、弱”之名。l四中相互作用之中强、电磁、弱三种在相对

2、论变换下都具有“矢量（轴矢量）”的性质，保证了它们可能成为与时空联系起来的规范相互作用。放射性地发现电磁作用、引力作用（长程，明显不为零的强度，易于察觉）强作用、弱作用（短程，原子核的大小尺度内，强度才明显不为零，难于察觉）前后作用力统一上的尝试引力与电磁力统一的尝试失败标准模型在作用力上的统一(只涉及强、弱、电磁作用)成功 在标准模型中这三种相互作用的形式都由具体的规范对称性规定，因而成功的将它们相对统一起来。各种各样的力，除了引力，都是由这些基本相互作用诱导出来的，其作用形式完全由上述基本粒子间的“普适”的形式所决定。标准模型标准模型是涉及到当今世界技术能达到的最小尺度（10-1610-1

3、7厘米）的微观世界规律的理论 运动规律：“粒子”和“波动”二相性 作用量具有“最小单位”，即全都要量子化，最小单位为普朗克常数（6.62710-34JS）的量。 这样小尺度下的量子化：电磁波需要粒子化，电子等粒子需要波动化量子场论：粒子物理的主要理论工具光速不变所有物理规律都具有相对论性a 相对运动的参考坐标系下b 运动接近光速时，运动贵了的相对论性非常明显a、b为建立量子力学和狭义相对论两个理论体系的要点。量子力学：在研究微观“小”世界中，量子力学规律是主导狭义相对论：在研究高速运动、粒子产生和转化方面，相对论规律显著量子力学相对论量子场论：粒子物理的主要理论工具，也是粒子物理标准模型的理论

4、基础重整化理论l重整化理论是量子场论的重要组成，它解决了量子理论的高阶效应的计算问题，是理论计算的精度推进到极高的程度。l自由度无穷多 数学上的无穷大l重整化理论的做法是吧出现的无穷大归结到物理观测中去，无穷大不再出现，从而得到确定的有限值，是理论计算变得有物理意义。 有时量子场论与相应的物理体系的理论结合，会出现随着计算阶数的增加，不断出现新类型的无穷大的情况，此时，我们不能把所出现的无穷大仅归结到有限个观测量中去。所以重整化理论有很大的局限性，不能将所有出现的无穷大归结到有限个测量中去的情况称之为，不可重整化理论。重整化理论：预言能力强，理论可以达到理想的计算精度不可重整化理论：没有重整化

5、理论的那种能力，一般称之为“有效”理论用描述相互作用数学上l标准模型建立前夕缺少一个重要的原理性元件：规范粒子的质量怎样产生？l希格斯机制：可以使规范场粒子得到静质量，解决了这一问题。2013年证明 了希格斯粒子的存在，也间接性的证明了希格斯机制的正确性。用相应的希格斯场（标量粒子场）造成物理真空的对称性破坏，实现规范粒子质量的产生。电弱理论标准模型中的电弱理论由于希格斯机制产生质量的方法不会破坏理论的重整性，所以标准模型完整的建立起来。标准模型理论概括介绍轻子和夸克轻子：中性带电电子(e)缪子()韬子()（依味道划分） 中性轻子称为中微子，也有三种味道，对应的有电中微子（e）、缪中微子（）、

6、韬中微子（）,中性轻子的电荷比带电轻子的电荷整整“多”一个单位，因此，标准模型中在“排列”轻子时，把中性轻子排在带点轻子的上面，有所谓的SUL（2）对称性。夸克（依所带电荷划分）带质子电荷的三分之二，上(u)、粲(c)、顶(t)带电子电荷的三分之一,底(d)、奇异(s)、美(b) 前三种夸克比后三种夸克的电荷整整“多”一个单位，所以与轻子一样，前三种夸克排在后三种夸克的前面，同样具有SUL（2）对称性。统计方面：服从费米-狄拉克统计轻子与夸克的差异： 静质量不同 颜色SU(3)对称性上的不同,也是两者最大的不同。夸克有（红、兰、绿）三种“颜色”量子数，而轻子全是无色的。颜色SU(3)规范相互作

7、用是标准 模型中的强作用，因此轻子无“直接强作用”。标准模型中，传递物质间基本的强、电磁、弱三种相互作用都是通过“交换”相应的实现的。自旋为单位整数，服从玻色-爱因斯坦统计，成为玻色子。强作用的规范场粒子叫做胶子；电磁作用的规范场粒子叫做光子；弱作用的规范场粒子叫做弱玻色子。胶子、光子、弱玻色子胶子：由SU(3)颜色规范场所决定，胶子自己带有双颜色(红兰，红绿，绿红，兰绿，一共八种).双颜色的胶子传递颜色，仅对颜色有作用，即它在有颜色的粒子(夸克、胶子)间作用。不能区分味道、电荷。光子：只对带电的粒子有作用，电荷相同时，其作用完全相同，对不同的颜色、味道不能作出区分。弱玻色子：由与味道有关的S

8、UL(2)规范场所决定，它能引起味道的改变。根据它对上、下味道的作用的不同，弱玻色子有(W+,W-,Z)共三种。对颜色全然不能区分，仅能对上、下味道间有作用，由于味道与电荷紧密联系，不能说弱玻色子对电荷无作用 胶子传递的作用通常强度最大，电磁和弱作用的耦合强度原本差不多，但是弱作用是短程的，在当今技术条件的能量尺度下，表现的强度要比电磁弱得多。颜色禁闭强作用可能是吸引的也可能是排斥的，但是，总会在吸引的作用下把有颜色的客体（夸克、胶子等）拉到一起，把颜色中和掉，即有颜色的客体不会长时间的单独生存，都将恰当的紧密复合成无色的束缚态存在。在通常情况下，难于看到有颜色的夸克和胶子单独存在，而他们总是

9、被中和成强子：重子、介子等。夸克所能携带的颜色，共有三种，所以不是任何数目的夸克都能中合成无色的客体。只有夸克和反夸克（或它们的整数倍）、三个夸克（或他们的整数倍），夸克与胶子以及胶子胶子适当的配对等情况下可以中和成无色的客体（强子）；第一种情形为介子，第二种情形为重子。第一代的夸克重子质子、中子原子核日常见到的物体第一代轻子电子原子第一代的费米子质量相对另外的两代都小，是稳定的；而另外的两代费米子（不论是自由的或是束缚的）都将很快的衰变到第一代费米子、是不稳定的形不成日常物体。规范场 规范场粒子的规范性保证他们都没有静止质量，胶子和光子是典型的的规范场粒子，它们都没有质量。弱作用的短程性，要

10、求弱玻色子必须非常重。 弱玻色子通过希格斯机制获得静质量。希格斯机制 希格斯场都是自选为零的标量场，有上面和下面的希格斯场两种，而且每种分别是复数，各有实部和虚部，因此总共是四种独立的实数场。 让这样希格斯场稳定的、最低的能量态（物理真空）不具有弱作用SUL(2)的对称性。 再把希格斯场合弱玻色子规范放在一起，希格斯场的四个独立分量自动做出了调整，其中的三个分量被弱玻色子吃掉，使弱玻色子获得静质量，剩下的一种中性的希格斯场无处可去留了下来，有对应的粒子希格斯粒子出现。希格斯场的另外一个作用： 给出轻子、夸克所需的静质量。 在伴随夸克产生出静质量的过程中，还带来所谓的夸克的物理态和作用态的不同的问题，并引起许多有趣的现象，e.g.使味道的夸克可以衰变到新的味道多样的变化，能引起所谓的正反粒子和宇称联合反射（CP）下的不对称性等等。从而是标准模型中衰变更加眼花缭乱，解释更多的微观世界的产生和衰变现象。标准模型中的胶子和弱玻色子传递的相互作用时非线性的。他们可以存在一些非平凡的、有趣的非线性状态（非平凡的非线性解；孤子解、瞬子解等），可以引起许多待研究的后果。