物理学引论
马红孺
1 S. Blusk
基本粒子
2 S. Blusk
天外来客 宇宙射线
来自太阳和宇宙的高能量粒子
来自各个方向 当这些高能粒子与大气层的物 质发生碰撞，会产生粒子的簇射.
可以产生各种粒子
其中有很不稳定的粒子，很快 会衰变.
寿命足够长的粒子可以到达地 球表面并被探测到 !
3 S. Blusk
两个中微子发出
Muon (m)在此停 止并衰变:
me+n+n
两个中微子发出
m e
p
10
S. Blusk
太多的基本粒子
由于不能控制宇宙线，科学家建造加速器加速粒 子，使之碰撞，产生大量其他粒子. 1950年代, 加速器产生了大量的粒子. 很多这种粒子不稳定，很快衰变. 1955年，发现反质子 !
11 S. Blusk
6 S. Blusk
发现正电子的重要意义
第一个反物质的证据
Carl Anderson award Nobel prize for the discovery of the positron
Carl Anderson 1905-1991
电子和正电子相遇，湮 灭，产生辐射
7 S. Blusk
物质 能量
• 这是γ射线与物质相互 作用产生正负电子对 ，电子对湮灭产生的 辐射。
5 S. Blusk
宇宙线中发现正电子(1932)
云室照片
通过研究铅板上下的轨迹的弯曲
程度，可以推断: (a) 粒子向上运动. (b) 其电荷为正.
这不是质子.
铅板 正电子
大的曲率表明粒
子速度较小 一个质量和电子相同，带正 电的粒子 正电子 !
16 S. Blusk
散射实验
Rutherfored, deBroglie, … 告诉我们，为了得到物质的结构，我们应该 用高能粒子（波， 或者… …）去轰击物质，然后观察所得结果.
卢瑟福利用alpha粒子的大角度散射得到原子的有核模型.
为了探测物质的某个尺度的信息，我们必须使用更短的波长…
YES, this works !
宇宙射线中的发现
➢ 1932 : 发现正电子!!!
➢ 1937 : 发现 muon 子，完全像一个大的 电子
➢ 1947 : 发现Pion 子.
4 S. Blusk
• 赵忠尧（1902年6月27日－ 1998年5月28日）
• 密立根的学生，在研
究硬γ射线的吸收中发 现物质对γ射线的散射 有一个非常接近电子 质量的反常辐射。
物质的基本 结构?
12 S. Blusk
简单 复杂 简单
1930年代, 世界是简单的 质子，中子，电子. 构成原子 分子 DNA 人 ! 宇宙简单而优雅…
大量基本粒子的发现，基本粒子 “基本”吗？
I. I. Rabi’s 在发现muon时的名言：
Who ordered that” ?
1994 Nobel Prize Winner in Physics
9 S. Blusk
Discovery of the Pion
Bristol 大学的 Cecil Powell 及其同事利用泡室 研究带电粒子的轨迹.
1947年发现了p-介子 (p) .
Cecil Powell 1903-1969 1950 Nobel Prize winner
Pion 在此停止并衰变 pm+n+n
Gell-Mann’s 1964 文章的择录: “A search for stable quarks of charge –1/3 or +2/3 and/or stable di-quarks of charge –2/3 or +1/3 or +4/3 at the highest energy accelerators would help to reassure us of the non-existence of real quarks”.
l
A
NO, this doesn’t really work !
A l
17 S. Blusk
Rutherford 实验
α 粒子的波长?
ma= 6.7x10-27 [kg],
va= 1.6x107 [m/s])
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
l = h/p
动量: p = mv = (6.7x10-27 [kg])(1.6x107 [m/s]) = 1.0x10-19 [kg m/s]
The name of the game
Murray Gell-Mann 正在阅读James Joyce 的Finnegan‘s Wake 一书，书中有“three quarks for Muster Mark”这样一个短语.
他决定把更基本的粒子称为夸克
1964年, Murray Gell-mann 和 George Zweig (分别独 立) 提出了夸克的概念.
E=5 [MeV]
E=5 [MeV] e+
%e+*&e-*
E=5 [MeV] e-
E=5 [MeV]
5x6[1e0V 1.1 ][6e-x1V [91J0 ]]8.x1 0 0 1[3 J]
=1
l = hc/ E = (6.6x10-34)(3x108) / 8.0x10-13 = 2.5x10-13 [m]
Flavor
u d s
Q/e
+2/3 -1/3 -1/3
Murray Gell-Mann
George Zweig
15 S. Blusk
Gell-Mann 相信夸克吗?
在夸克模型提出来的时候，这只是一个方便的，对基本 粒子进行归类的工具.
是一个可以对所有发现的基本粒子进行数学描述的方案…
分数电荷的粒子是难以接受的 !
太多的基本粒子，太复杂?
13 S. Blusk
如果你不能记住所有的基 本粒子， 请不要沮丧！
“If I could remember the names of all these particles, I'd be a botanist.”
Enrico Fermi
14 S. Blusk
夸克（Quarks） ?
8 S. Blusk
muon 的发现
muon 1937 由 J. C. Street 和 E. C. Stevenson 在云室中发现 muon 和电子的性质完全相同
除了其质量是电子的200余倍 寿命大约是 2x10-6 [s] = 2 [ms]
(m e + n + n)
muon 能够从大气上层到达地面，相对论效应 !!!