粒子物理

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四種基本交互作用力
摩擦力是由原子力組合產生
原子力或分子力
原子力是由電磁力複合產生
四種基本交互作用力
基本作用力的本質是甚麼?
我們對作用力的概念從牛頓以來有巨大的變化:
對作用力的概念:牛頓的超距力,
跨過空間,直接瞬時作用。
F
訊息的傳遞不能快於光速!
作用力是由法拉第的場所產生:Field Lines
電荷分布 Q 在空間中產生電場
在點電荷 q 所在位置的電場對 q 施力
電場的引進使得電力可以不再是超距力
法拉第的場是連續的,量子物理發現場是量子化的!
光子
電磁作用力應看成兩個帶電粒子交換一個光子
+
Photon
+
所有基本交互作用都應看成參與粒子交換一個媒介子
Virtual Particles
交互作用的性質由媒介子的性質決定
媒介子越重,交互作用隨距離增加消失地越快!
媒介子只存在很短的時間,表面上是觀察不到他們,稱為虛粒子!
Feynman’s Diagram
Attraction is harder to visualize. Let’s say, a cloud
of mediating particles traps the two ………
Nuclear Force or Strong Force 核力 強力
What holds them together?
Nuclear Force or Strong Force 核力 強力
核力是質子或中子彼此之間的吸引力
核力極強(比電磁力強),
但範圍很小,在原子核外就幾乎感覺不到。
Pions π
湯川秀樹提出核力是由一種較重的,新粒子所媒介
Yukawa suggested a new particle
mediate the nuclear force. He
predicted its mass is between
proton and electron ~100Mev. 到哪裡去找新粒子?其實他們一直在我們身邊。
如何製造新粒子?
E  m c2
新粒子在碰撞中產生!
Accelerator
Collider
E  m c2
新粒子在碰撞中產生!
Bubble Chamber picture of pions
然而,質子比我們想像更複雜!
More fundamental particles
Kaon K and Lambda Λ
And more and more and more …
until they don’t feel fundamental at all…………
將性質質量相近的粒子列表
Fortune telling diagrams?
In 1960s Gellman Said …………
質子和原子一樣是由更基本的成分組成!
It’s the composition of 3, stupid!
Let’s call them
Quarks.
"three quarks for Muster Mark" in James Joyce's novel, Finnegan's Wake
質子比我們想像更複雜!
Accelerator
Collider
E  m c2
新粒子在碰撞中產生!
羅塞福
電子、原子核
質子比我們想像更複雜!
Proton and Neutron are
compositions of three
quarks (uud and udd).
Pion and Kaon are
compositions of a quark
and an antiquark.
質子與中子是由三個夸克組成!
Pi子是由一個夸克與一個反
夸克組成!
6種風味
Flavors
重子

介子
And if the protons and neutrons were a centimeter in diameter;
Then the electrons and quarks would be less than the diameter of a hair; and
The entire atom's diameter would be greater than the length of 30 football
fields!
P
P
如果質子是由更基本的夸克所組成……那麼
質子質子間的核力,分解開後應是介於夸克與夸克間的力。
重子

介子
為什麼只有這兩種組合?
6種風味 Flavors
每一種風味的夸克還可以帶有顏色,
顏色共有三種。
+
=
紅加反紅等於無色,以白代表。
紅加藍加綠等於無色
紅加反紅等於無色,以白代表。
這是最簡單兩種無色的組合
猜想:自然界的夸克組合必須是無色的!
帶色的夸克應該可以變色,例如放出一個帶色與反色的物件。
假設放出的過程是”顏色“守恆!
在質子中,夸克應該是不斷在交換這個帶色的東西!
在原子中,原子核與電子不斷做電磁作用,不斷交換光子!
類比猜想:這個被放出的物件是不是就是把夸克黏在一起的力的來源(媒介子)?
膠子 Gluon
膠子就是把夸克黏在一起的色力的媒介子!
在色力作用中(強交互作用)中,夸克改變自己的顏色,放出
一個媒介子膠子。
核力是夸克與夸克間色力的合成
Quark Confinement 夸克囚禁
Weak Interaction
β Decay
聯想:身分的改變,是不是也是一種交互作用?
電磁作用也是粒子動量的改變!
+
Photon
+
而且有前例:夸克在色力
交互作用中改變顏色!
p
p
n
e
p
W
p
p
n
弱交互作用中,中子放出一個新的媒介子W,變成一個質子。
因為W很重,大概是質子的90倍,因此作用很弱!
ν
但質子中子是由夸克組成:
弱交互作用中,夸克改變自己的風味,放出一個新的媒介子W。
在色力作用中(強交互作用)中,夸克改變自己的顏色,放出
一個媒介子膠子。
e  e  W   W   q  q  q  q
Weak Interaction through Z particle
e  e  Z 0  q  q
原子核
原子
Fundamental Particles
Glashow, Weinberg and
Salem:
Standard Model
Twins
Different
aspects of the
same
interaction.
Electromagnetic and weak interactions are unified 統一
into Electroweak.
But why are W’s much heavier than photon γ?
Maybe the plate for W is heavier than γ!!!!!!!
How smart!
Higgs twists the vacuum, the
ground state, the starting
point, in such a way that
makes W heavier than γ.
And it’s everywhere and
there is no escape from it.
Higgs
particles
Spontaneous Symmetry Breaking
This model is extremely successful, except ………
We havn’t found the Higgs particles,
Collider
Detector
A lot of people are expecting (hoping for?) surprises, what surprises?
CMS
Large Hadron Collider LHC will be open in 2007 to find Higgs particles.
P+P→H+……….
Large Hadron Collider LHC will be open in 2007 to find Higgs particles.
Large Hadron Collider LHC was open on 9/10.
A lot of people are expecting (hoping for?) surprises, what surprises?
Surprises, things beyond the Higgs can be discovered at LHC
Grand Unify Theory?
Supersymmetry?
Extra Space Dimension?
String Theory?
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