高能物理浅谈

1. 高能物理浅谈 焦健斌 山东大学

2. 引子 一尺之棰，日取其半，万世不竭。 ------《庄子•天下篇》

3. 对物质世界本源的探索 自古以来，人类从未停止过对所处物质世界的探索，而物质结构的奥秘一直是人类热衷的研究方向之一，古今中外，大量的理论学说都试图解答物质最基本组成单元的问题。 元素说： 五行说：

4. “原子”概念的由来 “原子”的说法最早是由留基伯提出的，他认为原子是最小的、不可分割的物质粒子。原子之间存在着虚空，无数原子从古以来就存在于虚空之中，既不能创生，也不能毁灭，它们在无限的虚空中运动着构成万物。 留基伯(Leucippus，约公元前500～公元前440)，古希腊爱奥尼亚学派中的著名学者。

5. 原子论的提出 德谟克利特是留基伯的学生，他继承并发展了留基伯的原子学说，指出宇宙空间中除了原子和虚空之外，什么都没有。原子一直存在于宇宙之中，它们不能被从无中创生，也不能被消灭，任何变化都是它们引起的结合和分离。原子在数量上是无限的，在形式上是多样的。 德谟克利特(Democritus,约公元前460年～公元前370年)，古希腊哲学家，古典原子论的创始人。

6. 近代原子论 德谟克利特的原子论后来又被伊壁鸠鲁(Epicurus，前341—前270，古希腊哲学家)和卢克莱修(Lucretius Carus，公元前99—前55年，古罗马哲学家 ) 所继承，再后来被道尔顿所发展，从而形成了近代的科学原子论 。 道尔顿(John Dalton，1766一1844) ,英国化学家、物理学家。

7. 原子的内部结构 • 1897年，汤姆逊 (J.J.Thomson,1856—1940)在研究稀薄气体放电的实验中，证明了电子的存在。 • 1911年卢瑟福 (E.Rutherford,1871—1937)由α粒子轰击金箔发生大角度弹性散射的实验，又证实了带正电的原子核的存在。这样，就从实验上证明了原子的存在，以及原子是由电子和原子核构成的理论。 • 1932年，查德威克( J.Chadwick ,1891-1974)在用α粒子轰击核的实验中发现了中子。随即人们认识到原子核是由质子和中子构成的，从而得到了一个所有的物质都是由基本的结构单元——质子、中子和电子构成的统一的世界图像。

8. 基本粒子概念的提出 • 伴随着原子内部结构的发现，现代的基本粒子概念随之产生了。 • 1905年，爱因斯坦(A.Einstein ,1879-1955)提出电磁场的基本结构单元是光子，1922年被康普顿(A.Holly.Compton ,1892-1962)等人的实验所证实，因而光子被认为是一种“基本粒子”。 • 1931年，泡利（W.E.Pauli，1900～1958）又从理论上假设存在一种没有静止质量的粒子——中微子(严格地讲是反中微子，中微子的存在是1956年由莱因斯（F.Reines，1918-1998）和科恩在实验上证实的。

9. 反粒子 • 根据狄拉克(P.A.M.Dirac，1902～1984 )创立的量子电动力学的预言，电子、质子、中子、中微子都有质量和它们相同的反粒子。 • 第一个反粒子——正电子是1932年，安德森(C.D.Anderson，1905-)利用放在强磁场中的云室记录宇宙线粒子时发现的，50年代中期以后陆续发现了其他粒子的反粒子。

10. 核力与“介子” • 随着原子核物理学的发展，发现除了已知的引力相互作用和电磁相互作用之外，还存在两种新的相互作用——强相互作用和弱相互作用。 • 1934年，汤川秀树(Hideki Yukawa，1907-1981)为解释核子之间的强作用短程力，基于同电磁作用的对比，提出这种力是由质子和(或)中子之间交换一种具有质量的基本粒子——介子引起的。1936年，安德森和尼德迈耶在实验上确认了一种新粒子，其质量是电子质量的207倍，这就是后来被称为μ子的粒子。μ子是不稳定的粒子，它衰变成电子、一个中微子和一个反中微子，平均寿命为百万分之二秒。   • 汤川最初提出的介子的电荷是正的或负的。1938年，凯默基于实验上发现的核力的电荷无关性的事实，发展了稍早些时候出现的同位旋的概念，建立了核力的对称性理论。

11. 基本粒子的大发现时期 • 1947年，孔韦尔西等人用计数器统计方法发现μ子并没有强作用。1947年鲍威尔(C.Frank.Powell，1903-1969)等人在宇宙线中利用核乳胶的方法发现了真正具有强相互作用的介子，其后，在加速器上也证实了这种介子的存在。 • 从此以后人类认识到的基本粒子的数目越来越多。就在1947年，罗彻斯特和巴特勒（C.Butler，1922-）在宇宙线实验中发现v粒子(即K介子)，这就是后来被称为奇异粒子的一系列新粒子发现的开始。由于它们独特的性质，一种新的量子数——奇异数的概念被引进到粒子物理中。在这些奇异粒子中，有质量比质子轻的奇异介子，有质量比质子重的各种超子。在地球上的通常条件下，它们并不存在，在当时的情况下，只有借助从太空飞来的高能量宇宙线才能产生。 • 这些发现了的基本粒子，加上理论上预言其存在，但尚未得到实验证实的引力场量子——引力子，按相互作用的性质，可分成引力子、光子、轻子和强子四类。为了克服宇宙线流太弱这个限制，从50年代初开始建造能量越来越高、流强越来越大的粒子加速器。实验上也相继出现了新的强有力的探测手段，如大型气泡室、火花室、多丝正比室等，开始了新粒子的大发现时期。

12. 基本粒子的归类法 • 到了60年代头几年，实验上观察到的基本粒子的数目已经增加到比当年元素周期表出现时发现的化学元素的数目还要多，而且发现的势头也越来越强。1961年，由盖耳-曼（M.Gell-Mann，1929-）及奈曼类比化学元素周期表提出了，用强相互作用的对称性来对强子进行分类的“八重法”。 • 八重法分类不但给出了当时已经发现的强子在其中的位置，还准确地预言了一些新的粒子，如1964年用气泡室实验发现的Ω粒子。八重法很好地说明粒子的自旋、宇称、电荷、奇异数以及质量等静态性质的规律性。 • 在此阶段中，证实了不单电子，所有的粒子，都有它的反粒子(有的粒子的反粒子就是它自身)。其中第一个带电的反超子是由中国的王淦昌（1907-1998）等在1959年发现的。此外，还发现了为数众多的寿命极短经强作用衰变的粒子——共振态。 • 基本粒子大量发现，使人们怀疑这些基本粒子的基本性。基本粒子的概念面临一个突变。

13. 理论物理的发展(I) • 20世纪40年代到60年代，对微观世界理性认识的最大进展是量子力学的建立。经过一代物理学家的努力，量子力学能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收及辐射等等现象，特别是当它同狭义相对论结合而建立相对论性量子力学以后，它已经成为微观世界在原子、分子层次上的一个基本理论。

14. 理论物理的发展(II) • 但是，量子力学还有几个方面的不足：它不能反映场的粒子性；不能描述粒子的产生和湮没的过程；它有负能量的解，这导致物理概念上的困难。量子场论是由狄拉克、约尔旦、维格纳(E.P.Wigner，1902-)、海森伯和泡利等人在相对论量子力学的基础上，通过场的量子化的途径发展出来的，它很好地解决了这三个问题。 • 库什(P.Kusch ,1911-1993)和弗利1947年发现的电子反常磁矩，和由兰姆（W.E.Lamb ,1913- ）等发现的氢原子能级的分裂，只有通过量子电动力学的重正化理论才能得到正确的解释。今天，量子电动力学已经经受了许多实验上的验证，成为电磁相互作用的基本理论。

15. 基本粒子不基本 • 并非所有的基本粒子都是“基本”的想法，最早是在1949年由费米和杨振宁（1922- ）提出的。他们认为，介子不是基本的，基本的是核子，而介子只是由核子和反核子构成的结合态。1955年，坂田昌一(1911-1970)扩充了费米和杨振宁的模型提出了强子是由核子、超子和它们的反粒子构成的模型。

16. 夸克 • 1961年，在实验上发现了不少共振态。1964年，已发现的基本粒子(包括共振态)的种类增加到上百种，因而使得盖耳-曼和兹韦克提出，产生对称性的基础就是构成所有强子的构造单元，它们一共有三种，并命名为夸克。 • 20世纪60年代以来，在宇宙线中、加速器上以及在岩石中，都进行了对夸克的实验找寻，但迄今还没有被确证为成功的报道。在60年代和70年代，有更多的能量更高、性能更好的加速器建成。虽然在这些加速器上没有找到夸克。但却得到了间接的，但是更有力地说明夸克存在的证据。 • 夸克理论提出不久，就有人认识到强子的强相互作用和弱相互作用的研究应建立在夸克的基础上，同时还要充分考虑强子的结构特性和各种过程中的运动学特点，才能正确地解释强子的寿命、宽度、形状因子、截面等动态性质。1965年，中国发展的强子结构的层子模型，就是这个方向的首批研究之一。层子的命名，是为了强调物质结构的无限层次而作出的。在比强子更深一层次上的层子，就是夸克。近20年来，粒子物理实验和理论发展的主流，一直沿着这个方向，在弱作用方面，已有了突破性的进展，在强作用方面，也有重大的进展。

17. 轻子 • 与强子的数目急剧增加的情况相反，自从1962年利用大型火花室，在实验上证实了两类中微子之后，长时间内已知的轻子就只有四种，但是到了1975年情况有了改变，这一年佩尔（M.L.Perl，1927-)等在正负电子对撞实验中发现了一个新的轻子，它带正电或带负电，达质子的两倍，所以又叫重轻子。与它相应，普遍相信应有另一种中微子存在，但是尚未得到实验上的证实。

18. 基本粒子的分类

19. 弱电统一(I) • 最早的弱相互作用理论，是费米为了解释中子衰变现象在1934年提出来的。弱作用宇称不守恒的发现，给弱作用理论的研究带来很大的动力。随后不久便确立了描述弱作用的流在洛伦兹变换下应当具有的形式，而且适用于所有的弱作用过程，被称为普适费密型弱相互作用理论。

20. 弱电统一(II) • 1961年，格拉肖（S.L.Glashow，1932-）提出电磁相互作用和弱相互作用的统一理论。这个理论的基础，是杨振宁和密耳斯（R.L.Mills）在1954年提出的非阿贝耳规范场论。但是在这个理论里，这些粒子是否具有静止质量、理论上如何重正化等问题，没有得到解答。

21. 弱电统一(III) • 1967—1968年，温伯格（S.Weinberg，1933-）、萨拉姆（A.Salam，1926-）阐明了作为规范场粒子是可以有静止质量的，还算出这些静止质量同弱作用耦合常数以及电磁作用耦合常数的关系。这个理论中很重要的一点是预言弱中性流的存在，而当时实验上并没有观察到弱中性流的现象。由于没有实验的支持，所以当时这个模型并末引起人们的重视。

22. 弱电统一(IV) • 1973年，美国费米实验室和欧洲核子中心在实验上相继发现了弱中性流，之后，人们才开始对此模型重视起来。在1983年，鲁比亚实验组等在高能质子—反质子对撞的实验中发现的特性同理论上期待的完全相符规范粒子，这给予电弱统一理论以极大的支持，从而使它有可能成为弱相互作用的基本理论。 • 弱电相互作用统一理论日前取得的成功，特别是弱规范粒子的发现，加强了人们对定域规范场理论作为相互作用的基本理论的信念，也为今后以高能轻子作为探针探讨强子的内部结构、夸克及胶子的性质以及强作用的性质提供了可靠的分析手段。在今后一个时期，强相互作用将是粒子物理研究的一个重点。

23. 大统一理论 • 把电磁作用、弱作用和强作用统一起来的大统一理论，近年来引起相当大的注意。但即使在最简单的模型中，也包含近20个无量纲的参数。这表明这种理论还包含着大量的现象性的成分，只是一个十分初步的尝试。它还要走相当长的一段路，才能成为一个有效的理论。

24. 加速器(I) • 物理学是一门以实验为基础的科学，粒子物理学也不例外。因此，新的粒子加速原理和新的探测手段的出观，将是意义深远的。 • 1919年英国科学家卢瑟福用天然放射源中能量为几个MeV、速度为2×109厘米/秒的高速α粒子束（即氦核）作为“炮弹”，轰击厚度仅为0.0004厘米的金属箔的“靶”，实现了人类科学史上第一次人工核反应。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得了粒子散射的分布，发现原子核本身有结构，从而激发了人们寻求更高能量的粒子来作为“炮弹”的愿望。 • 静电加速器（1928年）、回旋加速器（1929年）、倍压加速器（1932年）等不同设想几乎在同一时期提了出来，并先后建成了一批加速装置。

25. 加速器(II) • 1932年美国科学家柯克罗夫特(左)(J.D.Cockcroft)和爱尔兰科学家沃尔顿(右)(E.T.S.Walton)建造成世界上第一台直流加速器——命名为柯克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器，以能量为0.4MeV的质子束轰击锂靶，得到α 粒子和氦的核反应实验。这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应，因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。

26. 加速器(III) • 1933年美国科学家凡德格拉夫(R.J.van de Graaff)发明了使用另一种产生高压方法的高压加速器——命名为凡德格拉夫静电加速器。 • 以上两种粒子加速器均属直流高压型，它们能加速粒子的能量受高压击穿所限，大致在10MeV。

27. 加速器(IV) • 奈辛(G.Ising)于1924年，维德罗(E.Wideroe)于1928年分别发明了用漂移管上加高频电压原理建成的直线加速器，由于受当时高频技术的限制，这种加速器只能将钾离子加速到50keV，实用意义不大。但在此原理的启发下，美国实验物理学家劳伦斯(E.O.Lawrence)1932年建成了回旋加速器，并用它产生了人工放射性同位素，为此获得了1939年的诺贝尔物理奖。这是加速器发展史上获此殊荣的第一人。 • 由于被加速粒子质量、能量之间的制约，回旋加速器一般只能将质子加速到25MeV左右，如将加速器磁场的强度设计成沿半径方向随粒子能量同步增长，则能将质子加速到上百MeV，称为等时性回旋加速器。

28. 加速器(V) • 为了对原子核的结构作进一步的探索和产生新的基本粒子，必须研究能建造更高能量的粒子加速器的原理。1945年，前苏联科学家维克斯列尔(V.I.Veksler)(左)和美国科学家麦克米伦(E.M.McMillan)(右)各自独立发现了自动稳相原理，英国科学家阿里芳特(M.L.Oliphant)也曾建议建造基于此原理的加速器——稳相加速器。

29. 加速器(VI) • 自动稳相原理的发现是加速器发展史上的一次重大革命，它导致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器产生：同步回旋加速器（高频加速电场的频率随被加速粒子能量的增加而降低，保持了粒子回旋频率与加速电场同步）、现代的质子直线加速器、同步加速器（使用磁场强度随粒子能量提高而增加的环形磁铁来维持粒子运动的环形轨迹，但维持加速场的高频频率不变）等。 • 自此，加速器的建造解决了原理上的限制，但提高能量受到了经济上的限制。随着能量的提高，回旋加速器和同步回旋加速器中使用的磁铁重量和造价急剧上升，提高能量实际上被限制在1GeV以下。同步加速器的环形磁铁的造价虽然大大减少，但因横向聚焦力较差，真空盒尺寸必须很大，造成磁铁的磁极间隙大，依然需要很重的磁铁，要想用它把质子加速到10GeV以上仍是不现实的。

30. 加速器(VII) • 1952年美国科学家柯隆(E.D.Courant)、李温斯顿(M.S.Livingston)和史耐德(H.S.Schneider)发表了强聚焦原理的论文，根据这个原理建造强聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁铁的造价大大降低，使加速器有了向更高能量发展的可能。这是加速器发展史上的又一次革命，影响巨大。此后，在环形或直线加速器中，普遍采用了强聚焦原理。 • 美国劳伦斯国家实验室1954年建成的一台6.2GeV能量的弱聚焦质子同步加速器，磁铁的总重量为1万吨。而布鲁克海文国家实验室33GeV能量的强聚焦质子同步加速器，磁铁总重量只有4千吨。这说明了强聚焦原理的重大实际意义。

31. 加速器(VIII) • 以上主要介绍的是质子环形加速器，对电子加速器来说情况有所不同。1940年美国科学家科斯特(D.W.Kerst)研制出世界上第一个电子感应加速器。但由于电子沿曲线运动时其切线方向不断放射的电磁辐射造成能量的损失，电子感应加速器的能量提高受到了限制，极限约为100MeV。电子同步加速器使用电磁场提供加速能量，可以允许更大的辐射损失，极限约为10GeV。电子只有作直线运动时没有辐射损失，使用电磁场加速的电子直线加速器可将电子加速到50GeV，这不是理论的限度，而是造价过高的限制。

32. 加速器(IX) • 加速器的能量发展到如此水平，从实验的角度暴露出了新的问题。使用加速器作高能物理实验，一般是用加速的粒子轰击静止靶中的核子，然后研究所产生的次级粒子的动量、方向、电荷、数量等，加速粒子能参加高能反应的实际有用能量受到限制。如果采取两束加速粒子对撞的方式，可以使加速的粒子能量充分地用于高能反应或新粒子的产生。 • 1960年意大利科学家陶歇克(B.Touschek)首次提出了这项原理，并在意大利的Frascati国家实验室建成了直径约1米的AdA对撞机，验证了原理，从此开辟了加速器发展的新纪元。 • 现代高能加速器基本都以对撞机的形式出现，对撞机已经能把产生高能反应的等效能量从1TeV提高到10～1000TeV，这是加速器能量发展史上的又一次根本性的飞跃。

33. 加速器(X) • 自世界上建造第一台加速器以来，七十多年中加速器的能量大致提高了9个数量级，同时每单位能量的造价降低了约4个数量级，如此惊人的发展速度在所有的科学领域都是少见的。 • 随着加速器能量的不断提高，人类对微观物质世界的认识逐步深入，粒子物理研究取得了巨大的成就。

34. 北京正负电子对撞机 • 北京正负电子对撞机(Beijing Electron Positron Collider，简称BEPC)始建于1984年，工程设备投资15406万元，占地57500平方米，由注入器(BEL)、储存环、输运线、北京谱仪(BES)、同步辐射装置(BSRF)和计算机中心几大部分组成。其主要研究方向为τ-粲物理。

35. 北京正负电子对撞机（BEPC）示意图 储存环的周长为240.4米 注入器长202米 对撞能量2-5GeV 物理目标

36. 北京谱仪 • 北京谱仪是一台大型通用探测器，安放在BEPC储存环南端的对撞区，正、负电子束流在谱仪中心发生对撞。 • 北京谱仪长约6米，高、宽各7米，重500多吨，主要由顶点室、主漂移室、飞行时间计数器、簇射计数器、子鉴别器、螺旋线磁铁、亮度监测器、触发判选、在线数据获取与分析、离线数据分析系统及相应的电子学系统组成。

37. 侧 面 图 端 面 图 7X6X7米3，500吨

38. 粒子物理的前景 • 从发展趋势来看，粒子物理学的进展肯定会在宇宙演化的研究中起推进作用，这个方面的研究也将会是一个十分活跃的领域。 • 几十年来高能物理实验研究和理论探索对提高人类认识水平作出了重大贡献。从1901年开始颁发诺贝尔奖起，已有一百多位物理学家获得了诺贝尔物理奖，其中有41位与粒子物理有关，是物理学中获诺贝尔奖最多的一门分支。

39. 结语 “新知识对荣誉与国家贡献良多，它与保卫我们的国家毫无关系，但它使我们的国家值得保卫。” ------罗伯特·威尔逊

40. That’s all！ Thanks for attention!