北京大学物理学院-第5章-粒子和宇宙.ppt

Sudbury Neutrino Observatory（加拿大） 探测器在地下6010m,12米 直径的容器内1000吨超纯重水. 由9456个20cm PMT组成 成象Cherenkov探测器 超级神岗探测器在1000米地下，50000吨高纯水，13000个PMT Water CherenkowSuper Kamiokande SuperKamioka 科学家首次在实物中发现磁单极子 END Electrons (10-18 m ) Atom nucleus nucleon quark 10-10 m 10-14 m 10-15 m 10-18 m Constituents of matter 五、研究基本粒子的手段与工具 对“基本粒子”检测 —— 利用实验，看它能否被分裂，通过研究确定内部结构或基本结构成分。 1. 手段：碰撞与衰变 基本粒子如此之小，且寿命很短，只能进行间接研究。 利用加速器和对撞机使高能粒子相撞，让它们的能量和质量聚集到一个很小的区域中；而这种聚集是不稳定的，很快会产生出一些新粒子。对这些新产物进行认定，就能确定原来粒子的成分，或者发现新粒子、或者发现新的作用力类型。 研究基本粒子的手段与工具 粒子的自发衰变：许多基本粒子都是不稳定的，即使脱离了任何外力也一样, 它们最终要衰变成具有较小质量的粒子。 通过衰变可产生新粒子，也可发现新的相互作用类型。 研究基本粒子的手段与工具 2. 工具 —— 加速器和对撞机 为实验提供所需的高能粒子，它们的建造和运行费用是粒子物理研究的最大开支项目。 加速器是怎样工作的： 加速器：亮度高，但可用能低，部分能量损失在质心运动上了。 电子束团 负高压电极 正高压电极 研究基本粒子的手段与工具 加速器可以是直线型的，也可以是环型的。 加速电极 直线加速器 加速电极 环形加速器 研究基本粒子的手段与工具 美国费米实验室大型加速器外景 直径： 2000 m 研究基本粒子的手段与工具 对撞机：大大提高可用能，但亮度不如固定靶加速器。 ? ? 正电子束 电子束 研究基本粒子的手段与工具 研究基本粒子的手段与工具 探测器 基本粒子不能直接看到，为此当它们从一个加速器或一个碰撞中跑出来时，它们的能量和路径必须间接确定。用于辨认出粒子类型、能量，并决定轨迹的仪器称为探测器。 质子加速器 粒子探测器 高能质子束 靶 研究基本粒子的手段与工具 通常探测器的构造是非常复杂的： 研究基本粒子的手段与工具 研究基本粒子的手段与工具 研究基本粒子的手段与工具 Transverse slice through CMS detector Click on a particle type to visualise that particle in CMS Press “escape” to exit 六、粒子物理的未知课题 质量的起源? 中微子的质量是否为零? 夸克轻子的“代”是如何产生的? 到底还有多少代? 能否打破夸克“禁闭”? 夸克与轻子是否真的是基本?能否实现基本力的统一? 是否存在磁单极子? 寻找引力子，引力波，引力能否作量子力学的处理? 　　……… 粒子物理的未知课题 　　2009年9月，德国亥姆霍兹联合会研究中心的研究人员宣布，他们在德国德累斯顿大学、圣安德鲁斯大学、拉普拉塔大学及英国牛津大学同事的协作下，首次观测到了磁单极子的存在，以及这些磁单极子在一种实际材料中出现的过程。磁单极子是科学家在理论物理学弦理论中提出的仅带有北极或南极单一磁极的假设性磁性粒子。在物质世界中，这是相当特殊的，因为磁性粒子通常总是以偶极子(南北两极)的形式成对出现。磁单极子这种物质的存在性在科学界时有纷争，迄今为止科学家们还未曾发现过这种物质，因此，磁单极子可以说是21世纪物理学界重要的研究主题之一。此次，德国亥姆霍兹联合会研究中心的乔纳森?莫里斯和阿兰?坦南特在柏林研究反应堆中进行了一次中子散射实验。在中子散射测量过程中，研究人员对晶体施加一个磁场，利用这个磁场就可影响弦的对称和方向，从而降低弦网络的密度以促成单极子的分离。结果，在0.6K到2K温度条件下，这些弦是可见的，并在其两端出现了磁单极子。研究人员也在热容量测量中发现了由这些单极子组成的气体的特征。这进一步证实了单极子的存在，也表明它们和电荷一样以同样的方式相互作用。研究人员认为，此项技术是弦理论研究取得的重大突破