粒子物理与对称性ppt课件.ppt

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1、Particle and Symmetry Lecturer： Wei-Zhou Jiang 1 References 1L.Ryder, Elementary particles and symmetries (粒子物理与对 称性，宋孝同等译） 2W.M. Gibson, B.R.Pollard,Symmetry principles in elementary particle physics,（基本粒子物理学中的对称性原理， 丁里译） 3李政道，场论与粒子物理 ,1979 4黄克孙，夸克、轻子与规范场 ,1982 5许咨宗，课件：粒子物理中的守恒定律（中科大） ;核与粒子物理导 论 ,中

2、国科技大学出版社 6戴又善，粒子物理讲义（浙大） 6 R. Casalbuoni , Quantum Field Theory,(1997) 7来自 Wikipedia的资料 9郑恒阳，粒子物理中的对称性和对称性破缺（山大， PPT报告） 10陆埮 ,罗辽复 ,物质探微 从电子到夸克 ,(2005,科普读物 ) 11Ian Aitchison, Supersymmetry in Particle Physics: An Elementary Introduction(2007,Cambridge) 2 Outline 1.Introduction to fundamental particle

3、s 2.Classic and quantum symmetry principles 3.Lorentz invariance (covariance) 4.Parity（） ,space inflection, angular momentum 5.Charge conjugate symmetry (C), CP symmetry and its breaking 6.Time inversion symmetry（）、 theorem 7.Isospin, gauge, chiral symmetries and their spontaneous breakings Below ar

4、e possible lectures: 夸克模型、标准模型、强子共振态，介子衰变、 G宇称)? ( 超对称 Ads/CFT（ ？ ） iggs 粒子与重正化（？） 手征对称性与标量场（？） 超对称 3 粒子物理的基本内容 与量子力学和量子场论相关 微观粒子（原子、分子）性质；薛定谔方程；定态及散射 基本粒子遵循之对称性 基本粒子及其运动规律 基本粒子及其相互作用 物质世界的基本构成 (结构与相互作用）、宇宙学等， beyond quantum mechanics 4 1.基本粒子 简 介 1.1 发 展 简 史 物质的基本单元和基本结构的思辨探索 殷（前 1600年）周（前 1027）时期的

5、古代五行说，金木 水火土 战国 墨子：“端”是无同也，莫能破 古印度：风火水土，四大皆空 古希腊：恩培多克勒（约公元前 490430）柏拉图（公元 前 427347） 水、气、火、土四元素。 宋朝 : 朱熹 , 理气说 , 理在气先 古希腊：德谟克利特（前四世纪），原子 近代： 1807年道尔顿， 提出原子论 1869年 门捷列夫， 元素周期律 5 现代粒子物理与核物理的发展 1895年，放射性： X射线（ W.C.Rontgen伦琴） 1896、 1898年 天然放射性（ A.H. Becquerel贝克勒尔； M. Curie 居里 夫妇 ) 1897年， 电子（ J.J. Tohmson

6、汤姆生） 1911年， Rutherford： 散射实验 -原子核式结构； R. A. Millikan 油 滴实验 1926年， P.A. Dirac: 相对论量子力学，真空，反粒子 1930年，正电子发现： 赵忠尧 ； 1932年， Anderson（ 1936年， Nobel Prize) 1932年，中子的发现： Chadwick 1930年，中微子：泡利 Pauli，费米 Fermi（理论）， 王淦昌 （实验建 议），莱茵斯（ 1955年 , Nobel Prize） 1935年，介子：汤川秀树 H. Yukawa 1950年代，强子共振态 , 200多种 （宇宙线、加速器） 195

7、4年， 杨 -Mills规范场， W, Z介子 , 胶子 : 弱、强作用 1957年 , 李政道，杨振宁 ： Nobel Prize, 弱作用宇称不守恒 6 1964年， M. Gell-Mann 强子结构的夸克模型 1967年， S. Wemberg, A.Salam, S.L. Glashow, 弱电统一理论， W， Z波色 子 1983年，西欧核子中心（ CERN）发现 W， Z波色子 1970年代，量子色动力学（ QCD） 亚夸克，前子（ Preon），毛子 (Maon,1977 Glashow基于 Onion-layer straton model的提议 ) ？ 公孙龙：一尺之棰，日

8、取其半，万世不竭 物质从哪里来？真空与物质， 心经 ，色不异空，空不异色，色即是空， 空即是色。 7 1.2 粒子分 类 轻子 e,; ； 及其反粒子 强子 a) 重子： b) 介子： 规范波色子 Higgs粒子 ? , ,e 共振态重子八重态 ;, 00 np ., 000000 BDDDKKKK （弱相互作用），胶子（强相互作用），光子（电磁）， 0Z W g 8 共振态 右图： Kerson Huang, Quarks， Leptons , ti o ntr a n s fo r m a Pu n d e r ,p m o m e n tu m e l e c tr o n ,J s p

9、 i nc l e a r pJpJJJpp Nu ， .li s o t r o p i c a bem u s t e m i s s i o n e l e c t r o n t h e 0onc o n s e r v a t i p a r i t yF o r ， pJ 65 Measurement of longitudinal polarization of particle The spin orientation of final-state electron and anti-neutrino should be along the orientation of pol

10、arization: (cos ) 1 pI E Longitudinal polarization of e is defined as： IIP I I c v I+ I- For positron +1， of right-hand priority； for electron 1， of left-hand priority. e- e+ v/c P * * * * * -0.5 0.5 3H 60Co 32P 66 （ 2） Neutrino helicity in the weak interaction . :t h e or yc om p on e n t -2 by gi

11、ve n is n e u t r i n o m as s l e s s w h i l e t h e or y,c om p on e n t -4 D i r ac t h e by d e s c r i b e d ar e f e r m i on s M as s i ve . ,1,1 |/h e l i c i t y R L h an de dl e f t hh an de dr i gh th ppsh ； ， ? ? L R 宇称不守恒吗有 * e l c t r . K f o r i d e n t i f y to i d e a T h e e e BAe

12、 h ： 1J 0 J 0J B 1958年 M.Goldhaber等人利用 核素的 K电子俘获特殊的衰变方式 , 巧妙地从实验证明了中微子的螺旋度。 衰变级联过程为 Eu 152 e152152152- Sm*Eue eSm 自旋虽然是内禀自由度 ,但与时空性质相关 . 内部自由度对称性给出 additive quantum numbers. n u m b e r . t i v em u l t i p l i c a t h e ist h a t p a r i t y , c h a r g e ,1,1,| n u m b e r s . q u a n t u m i n t

13、r i n s i c 0 w i t h s t a t e s a n d ,se i g e n s t a t e s .n u m b e r s i n t r i n s i c a l l b e i n g ,|F o r 2 0 Q cccc c Qcc U eeppU Q,UU ，： 70 ,| ,|.|. p a r i t y c h a r g e of no n s e r v a t i o .0, ,.;H t h e n s y m m e t r y , c o n j u g a t e c h a r g e t h e h a s H If i 1

14、if f c i ciccfif f ccc HHUUH sfsi C HUeiHUU ，： ： . ,1 fcicfcic .p a r i t y c h a r g e n e g a t i v e h a s p h o t o n :1 ,| , e c a u s e CC cc C U A-A，B-BEEB ， Charge parity of photons: .p r o h i b i t e d is 3t h a t so ,1 2 00 0 c， charge parity of 0 71 ),1,2(),(),(),()2,1( 212121 QQssrr Gen

15、eralized Pauli principle .b o s o n s a n d f e r m i o n s b o t hf o r h o l d s )1( .)1( ,1)1( e x c h a n g e c h a r g e ,)1(e x c h a n g e s p i n ,( - 1 ) :e x c h a n g e C o o r d i n a t e mp o s i t r o n i u of E x a m p l e C C 1 C 1 Sl Sl C Sl Sl ee ，： ： ： .1)1()1()1( ;1)1()1()1( PC B

16、B C 1 C B P B P SlSl PP F P F P SlSlF P F P 对波色子： 对费米子： 自旋交换变换变换等价于质心系正反粒子系统， 72 5.3 Verification of C conjugate symmetry 1. C-parity conservation in electromagnetic interaction: nLee S )( 12 4 1 3 1 3 105)3)( )2)( SeeR SeeR 800 101.3 )( )3( a ll C (-1)L+S (-1)n Oddevity of photon number is decided

17、by the (L+S) of positionium In the electromagnetic process, the C-parity conservation is verified up to a quite high precision. 73 Compare two mutually conjugate process: KKPPKKPP PPPP C C Meson and anti-meson in the f.s. feature a perfect symmetry. Especially for the exclusive process +（ -）， C-pari

18、ty symmetry gives symmetric angular distribution of cross section: and 0 produced by P-Pbar annhilation is symmetric about =90。 。 Strong decay of vector meson: 0(783) J PC 1 0- 0- 0-+ L 1 1 C 1 -1 +1 P -1 -1 +1 c o sc o s d d d d 2. C-parity conservation in strong interaction process 74 3. C-parity

19、breaking in the weak interaction process， conservation of the joint CP transformtion P： l.h. r.h. C： particle-antiparticle 75 作业：分析下列反应的荷称是否守恒 0(783) J PC 1 0- 0- 0-+ L 1 1 76 5.4 CP symmetry breaking and neutral Kaon decay 1. Background . h a si t s t a t e s , f i n a l a n d i n i t i a l t h ef

20、o r t h e n ,0,o p e r a t i o n u n d e r i n v a r i a n c e is t h e r e If f CP i CP CPCP HUU ih y p e rn u c l e in sS t ra n g e n e s . :re a c t i o n t h e f ro m p ro d u c e d 00 KpK - However, the difference comes up for the neutral K decay. - 纯 K0 .1 ,1017.5 1; ,1089.0 ),( ),( CP 8 CP 1

21、0 00000000 ss KK LS |)1(| ClPCCP UUUU例： |)1()1( Sll .1)( ,1)( 00CPCP 同样可得因此， 77 K0 K0 + - S（ Y） +1 0 1 Strangeness is not a conserved number of the weak interaction, while K0 | ,| 21 2211 KKKK KKUKKU LS CPCP no s c i l l a t i o 2. 00 KK （见 M. Gell-Mann and A. Pais的工作（ Phys. Rev. 97, 1387, 1955.） Th

22、e weak interaction eigenstates should come from the mixing of them: 78 The oscillation observation： in pure K0 beam there is the reaction arising from K0bar 0Kp 1200 121( ,0) 0 ( ,) 2cos( )exp( )42ttIK IKt e e mt t ； - + p 1 0 . 4 7 7 0 . 0 0 2m - 纯 K0 p 纯 K0 K2 ./1 ., 2121 的宽度分别为 KK S=-1 .1052.3 |,

23、| 12 21 M e Vm mmm 79 3. CP breaking In 1964， Christenson, Cronin, Fitch, Turlay found in the neutral Kaon decays the symmetry breaking of the joint CP operation (Phys. Rev. Lett., 13, 138 (1964).) .2 0 . 2 % LK The same meson decays into states with opposite CP CP breaking！ Solution： . , ( 2 ) 02 对

24、称的相互作用破坏但存在直接 CPKK L ., ( 1 ) 01 守恒其实中混有 CPKK L 80 （ 1） Mixing leads to CP breaking i S L e KA KA )( )( 00 0000 00 00 )( )( i S L e KA KA )()( )()( LL LL KK KK Phenomenologic theory may use 3 parameters related to the amplitude and width to describe to describe the CP breaking of the decay of the lo

25、ng-lived KL 0 0 e e Ke Ke 如果 KL中 K0 K0Bar等幅混合， 0 81 001 1 2K K K 002 1 2K K K .| ,| 0000 KqKpKKqKpK LS K1 00 The data indicate： 2 00 1 61Re61 2 00 3 00 3 3 10)14.033.3( )8.01.0( )5.05.43( 10)5.01.2( 10)017.0271.2( o o Extraction from experiments： In the neutral K decay, direct CP breaking is unimpor

26、tant. If has a tiny imaginary part 002 1 re q u i re s b re a k i n g CPD i r e c t ： 84 of 2008 Nobel Prize CP1932年， Wigner采用了类似于自旋的表述， 1937年取名为同位旋（ Isotopic spin, Isobaric spin今天为 Isospin). 这在 1937年为实验证实， 19461955年间为更精确的实验证实 Vpp Vnn和 Vpp=Vnn=Vnp 的准确性分别大于 99和 98 99 100 Nucleon Isospin . 2 1 I . 2 1

27、 , 2 1 | 2 1 2 1 , 2 1 |I , 2 1 , 2 1 | 4 3 2 1 , 2 1 |I ,II,| ,I,I 3 2 33 泡利矩阵 同位旋 . 2 1 , 2 1 , 2 1 矩阵 )(泡利 . 2 1 , 2 1 | 2 1 2 1 , 2 1 | , 2 1 , 2 1 | 4 3 2 1 , 2 1 |)1( 2 1 , 2 1 | ,SS,| ,自旋 332211 3 2 33 SSS P au li S ssS SS .|,| ,|,| :)升降算符o p e r a t o r s ( d e s c e n d i n g - 02 0 2 From

28、Abers baryons are qqq triplets. _ Are quarks real, or a mathematical mnemonic? Three flavors 130 介子 SU(3)味对称性 131 8重态 单态 以下 7页从鲁定辉教授讲义 132 赝标介子 (pseudoscalar meson)和矢量介子 (vector meson) Compound particle of quarks and antiquarks ， different mesonic states determined by their orbital motion, radial mo

29、tion, and spin. 空间宇称，电荷共轭宇称 (如果是纯中性的系统 )和 G宇称 : 1. 赝标介子 介子的基态，当组成夸克反夸克的 (用符号 表 示 )时对应一组 的介子，称为赝标介子。 1( 1) , ( 1) , ( 1)L LS LSIp c G 0,0 SL 01S 0PJ 133 134 2. 矢量介子 当组成夸克和反夸克的 ，对应着另一组介子， 称为矢量介子。 )(1,0 13 表示用符号 SSL 135 Mixture of Singlet & 8th component of octet 上述两表中 136 将在 表示的质量矩阵对角化，可以推出混合角 ： 分别为实际

30、观察到的 介子和 介子的质量。 M8可以 由 Gell-Mann-Okubo公式 (page 37)推出 , 解得 用 和 的波函数代入，得到 和 的夸克组成： 80， 22 82 22 8 MMtg MM MM， * 2 2 2 8 1 (4 ) 3M M M 40 8 0 08 80 1 ( 2 ) 3 1 ( ) ( 2 ) 32 ss d d u u 08 08 s i n c o s c o s s i n 2 s i n 3 5 1 / 3 c o s 3 5 3 137 138 重子 Flavor SU(3) symmetry Decuplet Octet 139 味 SU(3)

31、多重态中的强子 (重子或者介子 )，质量很不相同，这只能用味 SU(3)的对称性的破缺来说明，这种破缺仍然保持了同位旋的 SU(2)以及 超荷 U(1)的对称性，同样同位旋 (不同分量 )，同一超荷的一组粒子，其 质量基本相同。对称性的破缺使得多重态成员的质量随着超荷而变化， 随着粒子的总同位旋而变化。 Gell-Mann-Okubo(盖尔曼 大久堡） mass formula： 重子： 介子： 4)1(),( 2Y IICBYAIYM 2 2 ( 1) 4 Ym a bY c I I 140 SU(4) multiplets: 16-plet 141 2. SU(4) multiplets:

32、 20-plet 带撇的表示组成的味道波函数对味的交换是部分对称部 分反对称 (a)，不带撇的表示对味道交换是完全对称的 (b) 2002024444 注意 a中间 c=1的 6个粒子态 142 Name of Baryons Symbol : Using isospin : 1. If constituent quarks are u, d quarks) I=1/2 N I=3/2 2. If constituent quarks are two u & d quarks with another one of s,c,b t, for instance, I=0 I=1 含 c,b,t的

33、要在右下角标出 ,N 1 3 1( ), ( ), ( 0), ( 1), ( ),( 0) 2 2 2NI I I I I I 143 3 If one of quarks is the u or d quark, other two are from the set (s,c,b,t)， these baryons are given the symbol 。 有多少 c 或者 b， t组成就在 的右下角标上相应的 夸克味的符号。例如： dsc对应的重子为 ； dcc 对应的重子为 4. If no u & d quarks， baryons are denoted by 。 除 s外，还

34、含有 c,b,t在 的右下角标上相应夸克味 的符号。 0c cc 144 夸克存在的证据 In late 1960s SLAC repeats the Rutherford scattering experiment at 10000 times the original energy. Sees “ Bjorken scaling” in “ deep inelastic scattering” : Quarks are “ asymptotically free” when probed at very short distances, even though they are bound

35、 tightly at long distances (Gross, Politzer, Wilczek, 1973). u u d proton electron electron 145 The November Revolution 对撞机（ Collider）时代来临 In 1974 New, heavy hadron discovered simultaneously at Brookhaven (J) and SLAC (). cc bound state. Others soon followed. p + Be - J + X - e+e-X e+e- - - X _ MJ/3

36、.1 GeV/c2 146 Fixed target vs collider p p 固定靶加速器 (in GeV)： 1 100,0,0,100p 2 0.94,0,0,0p 2212( ) 188 s p p GeV 对撞机 (in GeV)： 1 100,0,0,100p 2 100,0,0, 100p 2412( ) 4 10 s p p GeV 练习：固定靶实验若要达到 ， 424 10s GeV 1 ?p 147 颜色的发现 spin S = 32 baryon, the +(uuu),-(sss) required： spin alignment自旋顺排 零角动量 , 不能反对称

37、化，怎么办？ Oscar Greenberg， 1964： quarks should be para- fermions. 6个月后 Moo-Young Han and Yoichiro Nambu ： three triplets of quarks. The concept of colour 1973 William Bardeen, Harald Fritzsch and Murray Gell-Mann. Other evidences from reaction cross sections, decay modes, Alder anormaly 148 基本粒子的代结构 Wh

38、en the muon was discovered, I.I. Rabi was said to have uttered, “ Who ordered that?” By late 1974, electrons, muons, neutrinos and quarks could be fit into a nice pattern, with 2 “ generations” . e e u d c s However, in 1975, at the same detector where the was discovered, a new lepton appeared, the

39、tau . First member of 3rd generation. ? ? 1975年 2000年 1962年 1947 年 1974年 149 第三代夸克 e e u d c s b ? 1975年 2000年 1962年 1947 年 1974年 1977年 1973年，小林诚和益川敏英预言第三代夸克的存在 1977年，底夸克 (bottom quark)在费米实验室被发现 b夸克曾被提议命名为 beauty quark(美夸克 )， but beauty is too cute to be a name The search of top quark 150 顶夸克 (top)的

40、发现 顶夸克事件 3代夸克完整 1995年费米实验室 质子反质子对撞机 Tevatron S TeV1.96 顶夸克通常成对产生 151 152 Challengers for standard model Great precision to energies of order 100 GeV, or distances as small as 10-17 Neutrino mass, gravity, 17 parameters, hierarchy problem, big bang cosmology beyond standard model, dark matter, dark e

41、nergy 153 Introduction to Supersymmetry Intrinsic symmetry and space-time symmetry 154 Hierarchy Problem Potential for Higgs boson: Quantum correction: 30 orders of magnitude larger than mH2 155 SUSY particles: sparticles 156 Hope and problem of SUSY Supersymmetry provides a new roadmap to unify the gravity and other fundamental forces. Problems in SUSY theory experiments Two many parameters Two many SUSY models 157 此课件下载可自行编辑修改，供参考！ 感谢您的支持，我们努力做得更好！ 158