《粒子物理》课程教学课件（讲稿）粒子物理简介

粒子物理第一讲：简介曹庆宏北京大学物理学院理论物理所（本节内容部分取自朱世琳老师的科普报告）

粒子物理 第一讲：简介 曹庆宏 北京大学物理学院理论物理所 （本节内容部分取自朱世琳老师的科普报告）

粒子物理回答两个核心问题1) What are the elementaryconstituents of Matter?2)Whataretheforcesthatcontrol their behavior at themostbasiclevel?252

粒子物理回答两个核心问题： 1) What are the elementary constituents of Matter? 2) What are the forces that control their behavior at the most basic level? 2/52

Historyof Constituents of Matter100ChemicalSubatomicElementsParticlesae?Sulfur,Saltea10MercuryQuarksLeptonsEarthAirFireElectronProton902NWater1000010001500180019001950198020002020BCAC3152

History of Constituents of Matter 3/52

课程安排课程内容：粒子物理的起源和发展，相对论性运动学，粒子探测技术和实验装置，对称性及其应用，量子电动力学简介，弱电理论简介和实验检验，量子色动力学简介和检验，标准模型和弱电对称性自发破缺待定内容：大统一理论简介，中微子混合和质量起源，暗物质模型和探测，超对称模型和检验课程目的：ToKnowwhyitisinteresting:Toknowthebasicideasandterminology:Todosimple calculations、成绩计算：作业（30%），期末考试（70%）周三课后交作业，周一返还。期交换交平交作业不不持处作价用全记52

课程安排 ▶ 课程内容： – 粒子物理的起源和发展，相对论性运动学，粒子探测技术和 实验装置,  对称性及其应用，量子电动力学简介，弱电理论 简介和实验检验，量子色动力学简介和检验，标准模型和弱 电对称性自发破缺 – 待定内容：大统一理论简介，中微子混合和质量起源，暗物 质模型和探测，超对称模型和检验 ▶ 课程目的： – To Know why it is interesting; To know the basic ideas and terminology; To do simple calculations ▶ 成绩计算： – 作业（30%），期末考试（70%) – 周三课后交作业，周一返还。 – 迟交、晚交、不交作业者不得分 – 作业雷同者全记零分 4/52

教材：《ModernParticlePhysics》byMarkThomsonPublished byCambridgeUniversity Press.2013注意：课程并不局限于教材（最好的教材始终都是尚未出版的陈申见老师讲义MODERN（内事不决问百度）PARTICLEPHYSICSParticleDataGroupReview:http://pdg.lbl.govMARKTHOMSON152

教材：《Modern Particle Physics》by Mark Thomson Published by Cambridge University Press, 2013 ▶ 注意：课程并不局限于教材 (最好的教材始终都是尚未出版的) ▶ 陈申见老师讲义 (内事不决问百度) ▶ Particle Data Group Review: http://pdg.lbl.gov 5/52

其他参考教材粒子物理与核物理讲座，高崇寿和曾谨言，高等教育出版社(1990)群伦及其在粒子物理学中的应用，高崇寿，高等教育出版社(1992)粒子物理导论，杜东升和杨茂志，科学出版社（2015）TheExperimentalFoundationsofParticlePhysics,byRobertN.CahnGerson GoldhaberModernElementaryParticlePhysics,byGordonL.KaneIntroduction to elementary particle physics,by Aleessandro BettiniIntroductiontoElementaryParticle.byDavidGriffithsQuarksandLeptons:AnIntroductionCourseinModernParticlePhysics,byFrancisHalzen,AlanD.MartinIntroductiontoHighEnergyPhysics（高能物理学导论）byDonaldPerkins6|52

其他参考教材 ▶ 粒子物理与核物理讲座，高崇寿和曾谨言，高等教育出版社 （1990） ▶ 群伦及其在粒子物理学中的应用，高崇寿，高等教育出版社 （1992） ▶ 粒子物理导论，杜东升和杨茂志，科学出版社（2015） ▶ The Experimental Foundations of Particle Physics, by Robert N. Cahn, Gerson Goldhaber ▶ Modern Elementary Particle Physics, by Gordon L. Kane ▶ Introduction to elementary particle physics, by Aleessandro Bettini ▶ Introduction to Elementary Particle, by David Griffiths ▶ Quarks and Leptons: An Introduction Course in Modern Particle Physics, by Francis Halzen, Alan D. Martin ▶ Introduction to High Energy Physics (高能物理学导论), by Donald Perkins 6/52

课程内容1.粒子物理简介9.量子色动力学10.弱相互作用2.粒子物理基本概念：单位制、狭义相对论和量子11.轻子的弱相互作用力学、衰变宽度和散射截面12.中微子质量和混合3.狄拉克方程13.CP破坏4.基本粒子相互作用14.电弱统一5.正负电子灭15.标准模型精确检验6.正负电子弹性散射16.希格斯粒子7.深度非弹散射17.超出标准模型的新物理8.对称性和夸克模型暗物质、大统一理论。。。52

课程内容 1. 粒子物理简介 2. 粒子物理基本概念： 单位制、狭义相对论和量子 力学、衰变宽度和散射截面 3. 狄拉克方程 4. 基本粒子相互作用 5. 正负电子湮灭 6. 正负电子弹性散射 7. 深度非弹散射 8. 对称性和夸克模型 9. 量子色动力学 10. 弱相互作用 11. 轻子的弱相互作用 12. 中微子质量和混合 13. CP 破坏 14. 电弱统一 15. 标准模型精确检验 16. 希格斯粒子 17. 超出标准模型的新物理 暗物质、大统一理论。 7/52

2014年期末考题请判断本课程是否是你心目中的粒子物理课程一（35分）简答题1.请叙述自然界中的四种基本相互作用，并比较各种相互作用的强弱。（3分）2.请在自然单位制中将室温用GeV.sec（秒）和fm（费米）表示。（3分）3.在美国费米实验室的Tevatron对撞机上pp→W+的散射截面是a=10nb，并且实验亮度为C=1031cm-2s-1。请间，—年内（~107s）中可以产生多少个W+玻色子？（3分）4.请说明光子质量项m2AA破坏U(1）规范对称性。（3分）5.请说明深度非弹散射过程e-p→e-X中观测到的Bjorken标度不变性，并阐述如何使用费曼部分子模型解释此标度不变性。（5分）考虑正负电子对撞机上e+e-→μ+μ-对产生过程，请在同一图形中画出6Nv=3和N=4两种情况下的μ+μ-的不变质量分布，其中N是无质量中微子的种类数目。（3分）7请说明为什么T-轻子衰变道一→Ve一D的分支比是20%。（5分）（提示：画出费曼图分析）请说明实验上如何发现下列粒子（任选5个）：（10分）8（1）电子：（2）μ轻子：（3）T轻子：（4）π介子：（5）桑夺克（6）底奇克：（7）顶夺克：（8）中微子：（9）W玻色子：（10）Z玻色子：（11）希格斯粒子：（12）胶子。/52

2014 年期末考题 请判断本课程是否是你心目中的粒子物理课程 一.（35 分）简答题 1. 请叙述自然界中的四种基本相互作用，并比较各种相互作用的强弱。（3 分） 2. 请在自然单位制中将室温用 GeV, sec (秒) 和 fm (费米) 表示。（3 分） 3. 在美国费米实验室的 Tevatron 对撞机上 p¯p → W+ 的散射截面是 σ = 10 nb，并且 实验亮度为 L = 1031cm−2 s−1。请问，一年内（∼ 107 s）中可以产生多少个 W+ 玻色子？（3 分） 4. 请说明光子质量项 m2 γAµA µ 破坏 U(1) 规范对称性。（3 分） 5. 请说明深度非弹散射过程 e−p → e−X 中观测到的 Bjorken 标度不变性，并阐述如 何使用费曼部分子模型解释此标度不变性。（5 分） 6. 考虑正负电子对撞机上 e +e− → µ +µ− 对产生过程，请在同一图形中画出 Nν = 3 和 Nν = 4 两种情况下的 µ +µ− 的不变质量分布，其中 Nν 是无质量中微 子的种类数目。（3 分） 7. 请说明为什么 τ− 轻子衰变道 τ− → ντ e−ν¯e 的分支比是 20%。（5 分）(提示：画 出费曼图分析) 8. 请说明实验上如何发现下列粒子（任选 5 个）：（10 分） （1）电子；（2）µ 轻子；（3）τ 轻子；（4）π 介子；（5）粲夸克； （6）底夸克；（7）顶夸克；（8）中微子；（9）W 玻色子； （10）Z 玻色子；（11）希格斯粒子；（12）胶子。 8/52

二：（15分）请说明下面那些过程是可以发生并通过何种相互作用发生。如果某过程被禁戒，请说明原因。etμ-→e-μtμt→etveppp→netveA→pr元+n→AK+PP→PpPPeet-μμtp→ety元→μV+→+三.（10分）实验上观测到强衰变过程p0→元+元一，但没有观测到p0→元元0衰变过程。请据此推导出e的量子数：（1）G-宇称，（2）自旋，（3）内票宇称：并提供禁戒00一→元0元0衰变过程的三种不同原因。四（10分）在未来质心系能量为1000GeV的正负电子直线加速器上，我们期望可观测到一对正反顶夺克事例，ete-→i,t→w+b,i→w-b1请画出顶夺克对产生过程的费曼图。（1分）2.请说明顶夸克对事例的衰变未态中可以存在2个，4个或6个奇克，并给出每种情况出现的几率。（4分）3.考虑如下两种末态：（1）4个夺克、μ+：（2）2个奇克、e一、μ+，9请画图说明如何在探测器上观测这两种末态。（5分）/52

二.（15 分）请说明下面那些过程是可以发生并通过何种相互作用发生。如果某过程被禁 戒，请说明原因。 e +µ − → e −µ + , µ+ → e +νeν¯µ p → ne+νe , Λ → pπ − π +n → ΛK + , pp → pp¯p¯p e −e + → µ −µ + , p → e +γ π − → µ −νµ , K + → π +γ 三.（10 分） 实验上观测到强衰变过程 ρ 0 → π +π−，但没有观测到 ρ 0 → π 0π 0 衰变过 程。请据此推导出 ρ 的量子数：（1）G-宇称，（2）自旋，（3）内禀宇称；并提供禁戒 ρ 0 → π 0π 0 衰变过程的三种不同原因。 四.（10 分）在未来质心系能量为 1000 GeV 的正负电子直线加速器上，我们期望可观测 到一对正反顶夸克事例， e +e − → t¯t, t → W +b, ¯t → W −¯b. 1. 请画出顶夸克对产生过程的费曼图。（1 分） 2. 请说明顶夸克对事例的衰变末态中可以存在 2 个，4 个或 6 个夸克，并给出每种情 况出现的几率。（4 分） 3. 考虑如下两种末态：（1）4 个夸克、µ +；（2）2 个夸克、e−、µ +， 请画图说明如何在探测器上观测这两种末态。（5 分） 9/52

五（8分）Rx值测量在粒子物理中具有异常重要的作用Rx定义如下：o(ete-→X)Rx=o(ete-→ μtμ-)考虑下列各种新物理奇异粒子，假设这些奇异粒子仅参与OED相互作用。当正负电子对撞机具有足够高的能量可以产生一对新物理粒子时，请计算相应的R值1.Ri：SU(2）弱同位旋二重态的新轻子L，设其超荷为Y= +3,2.Ro：SU2）弱同位旋三重态的新克O，设其超荷为Y=+4/3Q1Q2Q=Q10//52

五.（8 分）RX 值测量在粒子物理中具有异常重要的作用， RX 定义如下： RX ≡ σ(e +e − → X) σ(e +e − → µ+µ−) . 考虑下列各种新物理奇异粒子，假设这些奇异粒子仅参与 QED 相互作用。当正负电子对撞机具有足够高的能量可以 产生一对新物理粒子时，请计算相应的 R 值: 1. RL：SU(2) 弱同位旋二重态的新轻子 L，设其超荷为 Y = +3, L = ( L1 L2 ) 2. RQ′：SU(2) 弱同位旋三重态的新夸克 Q ′，设其超荷为 Y = +4/3 Q ′ =   Q ′ 1 Q ′ 2 Q ′ 3   10/52