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第18章粒子物理简介PPT课件

李政道杨振宁
在强相互作用和电磁相互作用下宇称守恒定律的正确性是有充分实验根据的，但在弱相互作用下宇称是否守恒当时并没有充分的实验证据。针对、之迷提出弱相互作用过程中宇称不守恒。
12
§18.3 粒子分类的八重法
1961年提出八重法，对强子分类排列。将具有相同自旋 s 、相同宇称 P 的强子结成一“族”，每族按电荷、奇异数或超荷排列成八重态图、十重态图等 —— 粒子物理中的周期表
• 协同产生: 一个超子总是和一个或几个K介子同时产生。 •奇异粒子协同产生的过程极快(约为10-23s), 表明是在强相互作用下进行的；而衰变过程很慢(寿命约为10-8 ～ 10-10s)，表明是在弱相互作用下进行的。
二. 四种基本相互作用
1. 四种基本相互作用的性质
5
2. 相互作用是通过交换一定粒子实现的
18
谢谢聆听
·学习就是为了达到一定目的而努力去干, 是为一个目标去战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和挫折
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
8个重子 (自旋1/2 宇称 “+”)
6个重子形成正6边形的6个顶点，另2个在中心。
水平轴~奇异数斜轴 ~电荷数
13
9个介子 (自旋0 宇称 “-”) 6个形成正6边形，另3个处于中心。
水平轴~奇异数斜轴 ~电荷数
在粒子多重态图（自旋为3/2、宇称为“+”）中，有一空位，对应于后来发现的Ω- 超子。
9
10
都

中微子--选修课件

最近发现
2011年9月，位于意大利格兰萨索国家实验室 (LNGS) 的 OPERA实验宣布观测结果，并刊登于英国《自然》杂志。研究人员发现，中微子的移动速度比光速还快。
1970年11月13日，中微子首先在氢气泡室中被观测。一个中微子撞击氢原子中的一个质子。这撞击发生于照片右方，在三条轨道散发出来之点。
关于中微子震荡
中微子振荡尚未完全研究清楚，它不仅在微观世界最基本的规律中起着重要作用，而且与宇宙的起源与演化有关，例如宇宙中物质与反物质的不对称很有可能是由中微子造成。

历史
1982年，日本科学家小柴昌俊在一个深达1000米的废弃砷矿中领导建造了神冈探测器，最初目标是探测质子衰变，也可以利用中微子在水中产生的切连科夫辐射来探测中微子。 1987年2月，在银河系的邻近星系大麦哲伦云中发生了超新星1987A的爆发。日本的神冈探测器和美国的Homestake探测器几乎同时接收到了来自超新星1987A的19个中微子，这是人类首次探测到来自太阳系以外的中微子，在中微子天文学的极洲冰层中建造一个立方公里大的中微子天文望远镜——冰立方。法国、意大利、俄罗斯也分别在地中海和贝加尔湖中建造中微子天文望远镜。KamLAND观测到了来自地心的中微子，可以用来研究地球构造。
1
中微子
Neutrino
简介

中微子（意大利语：Neutrino，其字面上的意义为“微小的电中性粒子”，又译作微中子），是轻子的一种，其自旋量子数为½，符号为希腊字母 v。
关于中微子

中微子有三种：电中微子、μ 中微子和 τ 中微子，分别对应于相应的轻子：电子、μ 子和τ 子。
所有中微子都不带电荷，不参与电磁相互作用和强相互作用，但参与弱相互作用。中微子没有通常意义上的反粒子有实验表明，中微子确实有微小但并不为零的质量。

The Neutrino World - Fermilab Home：中微子的世界-费米实验室的家-PPT精选文档

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Determining whether the spectrum is like or like could be a unique contribution of NOnA or its
proton-driver-enhanced successor, or of a Brookhaven Long Base Line program.
cij cos qij sij sin qij
eia1/2 0 0
0
eia2/2
0
0
0 1
q12 ≈ qsol ≈ 32°,
q23 ≈ qatm ≈ 35-55°,
q~13
<
15°
Majorana phases
CP
would lead to P(na nb) ≠ P(na nb). CP
What Cosmology/Astrophysics and Neutrino Physics can Teach Each Other
Steve Barwick <>, John Beacom <>
Theory Discussion Group
n3
From max. atm. mixingn, 3nm+2nt
(Mass)2
n2 n1
Dm2atm
{From nm(Up ) oscillate
{dIPnosbonLul(’Mntt enAm–(nDMeo)Sw=Wnn,)e fraction
} of n2 Dm2sol
From distortion of ne(solar) and ne(reactor)
physics/astrophysics/cosmology have for each other?

中微子介绍

τ中微子
中微子只参不非常微弱的弱相互作用，具有极强的穿透力。穿越地球直径那么厚的物质，在100亿个中微子中只有一个会不物质发生反应，因此中微子的检测非常困难。所以，在所有基本粒子中，人们对中微子了解最少。实际上，大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生，例如核反应堆发电（核裂变）、太阳发光（核聚变）、天然放射性（贝塔衰变）、超新星爆发、宇宙射线等等。宇宙中充斥着大量的中微子，大部分为宇宙大爆炸的残留,大约为每立斱厘米300个。
粒子物理的研究结果表明，构成物质世界最基本的粒子有12种，包括6种夸兊 (上、下、奇异、粲、底、顶)，3种带电轻子(电子、缪子和陶子)和3种中微子 (电子中微子、缪中微子和陶中微子)。中微子常用符号ν表示，它丌带电，质量非常轻(小于电子的百万分之一)，以接近光速运动。
电子中微子组成系基本粒子费米子轻子
中微子
性质
发现发现
研究与发展
发现
1930年，奥地利物理学家泡利提出存在中微子的假说。 1956年，柯温和弗雷德兊·莱因斯通过实验观测到了中微子诱发的反应：
1962年，美国物理学家利昂·M·莱德曼等人发现了中微子有 “味”的属性
这是第一次从实验上得到中微子
存在的证据。
发现
以前人们以为中微子是没有质量的，永远以光速飞行。 1998年日本的超级神冈实验发现它们可以从一种类型转变成另一种类型，称为中微子振荡，间接证明了它们具有微小的质量。丌过这个质量非常非常小，到现在还没有测出来，它们的飞行速度非常接近光速，到现在也没有测出不光速的差别。
中微子振荡示意图。一个电子中微子具有三种质量本征态成分，传播一段距离后变成电子中微子、μ中微子、τ 中微子的叠加。

中微子1

子的百万分之一
中微子是1930年奥地利物理学家泡利为了解释β衰变中能量似乎泡利不守恒而提出的，1933年正式命名为中微子，1956年才被观测到。中微子只参与非常微弱的弱相互作用，具有最强的穿透力。穿越地球直径那么厚的物质，在100 亿个中微子中只有一个会与物质发生反应，因此中微子的检测非常困难。实际上，大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生，例如核反应堆发电（核裂变）、太阳发光（核聚变）、天然放射性（贝塔衰变）、超新星爆发、宇宙射线等等。宇宙中充斥着大量的中微子，大部分为宇宙大爆炸的残留，大约为每立方厘米100个,秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计。
欧洲核子研究中心
意大利格兰萨索国家实验室
光速：299792458 米/秒光速：299792458 中微子速度：299798545 中微子速度：29979854子束流的步骤：产生高能质子；步骤：产生高能质子；把这些质子送到靶上；这些质子送到靶上；让这些质子与靶的原子核对撞，些质子与靶的原子核对撞，产生次级束流，部分包括p 产生次级束流，部分包括介子和K介子介子；介子和介子；通过一个磁角系统将p介子和介子和K介子引角系统将p介子和K介子引向实验Gran Sasso方向；方向；向实验方向介子和K介子在飞行时在真空隧道里衰变让p介子和介子在飞行时在真空隧道里衰变。多数情况下，衰变介子和介子在飞行时在真空隧道里衰变。多数情况下，的结果是一个m子，一个υµ中微子。中微子的飞行方向非常接近的结果是一个子一个中微子。中微子母粒子p介子或介子的飞行方向；将束流带到一个抑制器，介子或K介子的飞行方向母粒子介子或介子的飞行方向；将束流带到一个抑制器，该抑制器吸收除中子和µ子之外的所有东西中微子继续向Gran 子之外的所有东西。制器吸收除中子和子之外的所有东西。中微子继续向 Sasso方向前进，而其它的子则被一公里内的地球地壳完全吸收。方向前进，子则被一公里内的地球地壳完全吸收。方向前进而其它的m子则被一公里内的地球地壳完全吸收所有产生中微子束流的部件都在隧道里和服务走廊里。所有产生中微子束流的部件都在隧道里和服务走廊里。

物质世界最基本单元之一中微子

• 中微子绝对质量与磁矩
– 绝对质量: Katrin – 磁矩: Texono, NUMU
• 双b 衰变 ==》中微子与反中微子是否同一个粒子？
– CUORE, NEMO,…
– EXO, Genius, Majorana, Moon, …
2020/5/15
10
中国为什么要选择反应堆中微子实验测量13 ？
• 中微子与宇宙学的关系：
– 构成宇宙中的暗物质
– 中微子振荡与宇宙中物质与反物质不对称有关
中–微中子微是子粒与子大物尺理度，宇天宙体结物构理的与形宇成宙有学关研究中的热点与交叉
2020/5/15
4
中微子振荡
• ，因信仰共产主义而逃到前苏联的Bruno Pontecorvo 提出如果中微子质量不严格为零，且中微子的质量本征态与弱作用本征态不同，根据量子力学，不同的中微子之间可以相互转换
2020/5/15
1
物质世界的最基本单元之一：中微子
中微子是构成物质世界的最基本单元之一：
e e
u d
c s
t b
弱作用的宇称不守恒源于只有左旋中微子中微子与反中微子是否同一个粒子？中微子质量极轻，不带电荷，与物质的相互作用十分微弱。因此极难探测，需要用体积庞大的探测器。粒子物理标准模型认为中微子质量为零。
• 加速器中微子实验造价昂贵
加速器：至少数亿美元
每个探测器：至少数亿美元 MINOS, NOvA, SuperK,…
• 双β实验需要雄厚的工业基础，造价昂贵，风险巨大 • 中微子绝对质量测量：技术基础与造价 • 反应堆中微子实验测量13 是一个难得的机遇
– 物理意义重大 – 地理环境优越 – 可以很快 – 便宜(~ 2亿人民币） – 没有重大技术困难

中微子

通过测量β粒子和反冲核的能量或动量，根据能量守恒和动量守恒可
以确定第三个粒子的动量和能量，从而定出第三个粒子的质量。用这种方
法测得 mv 0
2）、测量K俘获过程反冲核的能量
K俘获的终态只有两个物体—中微子和反冲核，所以他们的能量都是单
一的。
根据动量守恒以及中微子的能量近似等于衰变能 Ed ，则反冲核的动能为：
Ed
E
(E 2mec2 )E 2mRc2

E
(1
E 2mRc2

me mR
)
me mR E 2mRc2
Ed E
则此时β粒子的动能大约等于衰变能。
②、中微子的动量和反冲核的动量大小相等，方向相反。

pR p
p 0 E 0
同为半整数或整数。
又因为：β粒子的自旋
I

1 2
为了保持角动量守恒，则中微子的自旋必为半整数。
如：6Be6Li e e
自旋：0 1 1/2
由角动量守恒：Iv

1 2
,
3 2
理论研究表明：Iv
所以：
1 Iv 2

3 2
不合要求
4、统计性
在β衰变过程中，母核、子核的质量数不变，则它们遵从相同的统计性。
获得尽可能大的反冲能。
以上方法就是我们国家著名的物理学家王淦昌先生提出的，他建议用7 Be
的k电子俘获过程去探测中微子的存在.（1942年）
1952年，戴维斯（R﹒Davis）研究了
7 4
Be
的k俘获
7 4
Be

ek 37Li

0.86 MeV

中微子

3
中微子的性质 • 不带电，质量极小 • 与其他物质的相互作用十分微弱
• 自然界广泛存在
• 三种类型：电子中微子、μ中微子和τ中微子
探测面临的难题 •它的质量尚未直接测到且大小未知 •中微子与它的反粒子是否为同一种粒子也不得而知 •中微子振荡还有两个参数未测到，而这两个参数很可能与宇宙中反物质缺失之谜有关; •它有没有磁矩等等。
17
18
KamLAND
长基线反应堆 n (对世界 20% 反应堆的中微子灵敏 !)
平均距离160 km 1 千吨液体闪烁体在神岗山洞内
探测太阳 n
还没有物理结果
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加速器n (1-10 GeV) 实验 :
典型的高能物理实验技术 m 径迹探测 , 对电子或强子的簇射量能器
•
24
探测器的设计
水切伦科夫探测器和RPC构成反符合系统，探测宇宙线
RPC 水切伦科夫探测器
中微子探测器
八角形的水池保证AD 被2.5m以上的水层环绕，吸收散射中子
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中微子探测器
• 靶层：探测反衰变 • 直径3.1m, 高3.1m • 掺钆液闪
• 集光层：探测从靶层中逃逸的光子 • 纯液闪 • 厚42.5cm, 高3.97m
CC: nm+Nm-+X(shower) NC: nm+N nm +X(shower)
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CHORUS
NOMAD
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大亚湾中微子实验
在过去的十几年中，物理学家们发现中微子存在振荡——中微子在空间传播的时候从一种类型（Flavour；共有三种类型：电子（Electron）中微子、（Muon）子中微子以及（Tau）子中微子）变成另外一种类型，这种现象意味着中微子具有质量——的可靠证据。大亚湾反应堆中微子实验被设计成测量中微子混合中尚未被精确测量的混合角。这些混合角加上其它的一些参数可以完全标记中微子的振荡效应，如果能够更好地限制混合角的值将会增进我们对于为什么宇宙中的物质是正物质而非反物质这一现象的理解。

中微子

同样的观测不单在地球上发现，当天同样的观测不单在地球上发现，文学家观测超新星SN 1987A的中微子爆文学家观测超新星SN 1987A的中微子爆发时，发时，世界各地有三台中微子侦测器各自个中微子。有趣的是：探测到 5 到 11 个中微子。有趣的是：这些侦测器是在SN 1987A爆发的光线来到些侦测器是在SN 1987A爆发的光线来到小时侦测到的。对于这个现像，地球之前 3 小时侦测到的。对于这个现像，当时科学家把它解说为因为“ 当时科学家把它解说为因为“中微子于超新星爆发时比可见光更早被发射出来，新星爆发时比可见光更早被发射出来，而不是中微子比光速快” 不是中微子比光速快”，而这个速度亦与光速接近。然而，光速接近。然而，对于拥有更高能量的中微子是否仍然符合标准模型扩展仍然有争议，当中微子违反了洛伦兹不变性而发生震荡，其速度有可能会比光速还要快。震荡，其速度有可能会比光速还要快。
此次研究的中微子束源自位于日内瓦的欧洲核子研究中心，的欧洲核子研究中心，接收方则是意大利罗马附近的意大利国立核物理研究所。罗马附近的意大利国立核物理研究所。粒子束的发射方和接收方之间有着 730 公里的距离，研究者让粒子束以近光速运行，的距离，研究者让粒子束以近光速运行，并通过其最后运行的时间和距离来判断中微子的速度。微子的速度。中微子束在两地之间的地下管道中穿梭。管道中穿梭。
2011 年 9 月，意大利格兰萨索国家实验室旗下的OPERA实验室宣布观测结果实验室宣布观测结果，实验室旗下的OPERA实验室宣布观测结果，并刊登于英国《自然》杂志。并刊登于英国《自然》杂志。研究人员发中微子的移动速度比光速还快。现，中微子的移动速度比光速还快。根据这项对渺中微子的研究，这项对渺中微子的研究，发现当平均能级 GeV的渺中微子从的渺中微子从CERN走到达到 17 GeV的渺中微子从CERN走到 LNGS， LNGS，所需的时间比光子在真空移动的速度还要快 60.7 纳秒，即以光速的纳秒， 1.0000248 倍运行，是实验的标准差倍运行， 10 纳秒的六倍，“比光速快 6公里”，证纳秒的六倍，公里” 实了这个假设。实了这个假设。

The Importance of Low-Energy Solar Neutrino Experiments：低能量太阳中微子实验的重要性

• What We Don’t Know - Neutrino Astrophysics
– Is the Standard Solar Model correct? – What is the flux of solar neutrinos below 5 MeV?
• What is the flux of CNO neutrinos?
Mass-induced flavor oscillations
(with LMA as the favored solution)
Nuclear Physics
Neutrino Oscillations
If neutrinos have mass leptons can mix:
M a c in to s h P IC T im a g e fo rm a t
– What is the radial temperature distribution of the Sun? – How do neutrino properties affect supernovae?
Nuclear Physics
Physics Program for Future Solar Neutrino Experiments (I)
Expect sensitivity of 10-11 mB
Nuclear Phno Experiments: Physics Goals
M a c in t o s h
P IC T
im a g e
fo r m a t
is
not
s u p p o r te d
The ne survival probability for two flavor mixing is:

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2000年7月21日，美国费米国家实验室宣布发现了τ子中微子存在的证据。
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回首2011，再看中微子大亚湾发现新中微子振荡
人民网北京3月9日电（记者王泓漓）大亚湾中微子实验国际合作组发言人、中科院高能物理研究所所长王贻芳8日在北京宣布，大亚湾中微子实验发现了一种新的中微子振荡，并测量到其振荡几率。该发现被认为是对物质世界基本规律的一项新的认识，对中微子物理未来发展方向起到了决定性作用，并将有助于破解宇宙中“反物质消失之谜”。

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上海交通大学物理系主任、粒子物理宇宙学研究所所长季向东这样阐释这项研究的意义：“大亚湾实验发现了电子中微子震荡的新模式，这种模式的发现对了解为什么在物质远远多于反物质，对解释太阳系中元素的丰度有极其重要的作用。在我们所观察到的宇宙中，物质占主要地位，但为什么如此，到现在还没有一个合理的解释，大亚湾实验的结果打开了一扇大门。”
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另据王贻芳透露，2002年，两名美日科学家因发现大气中微子振荡、太阳中微子振荡获得了当年的诺贝尔物理学奖，但第三种振荡一直未被发现。9年前，中科院高能所研究人员提出设想，利用大亚湾核反应堆群产生的大量中微子，来寻找中微子的第三种振荡。“2003年左右，国际上先后有7个国家提出了8个实验方案，最终有3个进入建设阶段，这就包括咱们的大亚湾核电站。” 王贻芳称，为抢在竞争对手之前获得物理结果，科研人员将实验分为两个阶段，此次结果便来自第一阶段的数据。

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μ中微子

μ子不像电子那样擅长相互作用，它会在冰中穿行至少1千米，产生一个光锥。 1962年，美国布鲁克海文国家实验室的物理学家利昂· M· 莱德曼等人发现了中微子有“味”的属性，证实了μ子中微子和电子中微子是不同的中微子。

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τ中微子

τ子会迅速衰变，它的出现和消失会产生两个光球，被称为“双爆”。
Page 6

1956年，美国莱因斯和柯万在实验中直接观测到中微子，莱因斯获1995年诺贝尔奖。
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观测来自天体的中微子
3、中微子的类型
1.电子中微子 2.μ中微子 3.τ中微子
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电子中微子
电子与原子相互作用，将能量一下子释放出来，会照亮一个接近球形的区域。因为它总伴随着电子，所以称为电子中微子。沃尔夫冈· 泡利在1930年预言到它的存在，1956 年Clyde Cowan、弗雷德里克· 莱因斯等人在实验中证实了泡利的预言。
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中微子的未来等待我们的探索!
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2.中微子的发现历程
1930年奥地利物理学家泡利为了解释 β衰变中能量似乎不守恒提出
1933年正式命名
1956年被观测到
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1930年，奥地利物理学家泡利提出了一个假说，认为在β衰变过程中，除了电子之外，同时还有一种静止质量为零、电中性、与光子有所不同的新粒子放射出去，带走了另一部分能量，因此出现了能量亏损。这种粒子与物质的相互作用极弱，以至仪器很难探测得到。未知粒子、电子和反冲核的能量总和是一个确定值，能量守恒仍然成立，只是这种未知粒子与电子之间能量分配比例可以变化而已。当时泡利将这种粒子命名为“中子”，最初他以为这种粒子原来就存在于原子核中。但在1931年，泡利在美国物理学会的一场讨论会中提出，这种粒子不是原来就存在于原子核中，而是衰变产生的。
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1、什么是中微子？
中微子又译作微中子，是轻子的一种，是组成自然界的最基本的粒子之一，常用符号ν表示。中微子不带电，自旋为1/2，质量非常轻（小于电子的百万分之一），以接近光速运动。
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2011年11月20日，科学家再次证明中微子速度超越光速。但欧洲核子研究中心表示在中微子速度超越光速这一结论被驳倒或者被证实前，还需要进行更多的实验观察和独立测试。