高能物理

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更新時間: 2013-09-04

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高能物理,即高能物理學(high energy physics)又稱粒子物理學或基本粒子物理學,它是物理學的一個分支,研究構成物質和輻射的組元粒子及其相互作用的物理學科。

高能物理 -簡介
高能物理高能物理學

高能物理又稱粒子物理,是研究構成物質和輻射的組元及其相互作用的的學科,是物理學的一個分支。

粒子物理的基本內容和動力學已歸納成一個稱為「標準模型」的理論,因此,粒子物理主要研究「標準模型」的粒子及其可能的擴展。

高能物理 -發展簡史
粒子物理

物質由基本粒子所組成的想法最少可追朔到公元6世紀原子學說的哲學教義和基本粒子的性質。古希臘哲學家如,留基伯、德謨克利特,古印度哲學家卡納大(Kanada),中世紀科學家海桑、亞維森納,早期物理學家皮埃爾和牛頓等。早期的這些物質由基本粒子組成的想法是基於哲學的抽象理由,而不是來自實驗和觀察。

高能物理次原子粒子內部結構模型圖

19世紀約翰·道爾頓由他的化學計演算法得出結論,自然的每一基本元素是由單一相同的粒子組成。相信這是自然的基本粒子,並把它稱為原子(希臘語,意為不可分)。

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20世紀,物理學家發現,原子不是自然的最基本粒子;而有比原子更小的粒子,如電子等。

1950和1960年代,在散射實驗中發現了各種粒子,稱為「粒子Z00」, 但到1970年代形成粒子的「標準模型」后,認為,所發現的這些粒子中有些是由少數基本粒子所組成。

次原子

現代粒子物理集中研究次原子,包括原子的組元,如,電子,質子和中子。質子和中子是由夸克構成的重子組成的粒子。由輻射過程而產生的粒子,如光子、中微子和介子及寬廣的外來粒子。從經典力學來對粒子描述有時是用詞不當,因為粒子物理動力學的主導是量子力學。因此,它具有波-粒二重性: 在某些實驗條件下,它現粒子性;在另外條件下呈波動性。它們由希爾伯特用量子力學描述,也用量子場論來處理。按粒子物理的習慣,基本粒子是指電子和光子,這些粒子也有波動性。

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膠子,W+, W-, Z0弱玻色子膠子,W+, W-, Z0弱玻色子之結構模型圖

到現在為止所觀察到的粒子都可用名叫標準模型的量子場論所描述。標準模型有17種基本粒子、12或24種費米子(包括反粒子)、4種向量波色子和一種標量波色子。這些基本粒子可組合成複合粒子(自1960年以來,發現了上百種其它粒子),標準模型和至今的實驗結果幾乎全部相符。但大多數粒子物理學家相信,它是自然的一個不完美描述,要等待一個更完美的理論。近年(截至2011年)來中微子的測量已提供第一個偏離標準模型的實驗。

標準模型

最近(截至2011年)基本粒子是按標準模型分類的;模型用測量波色(gauge Bosons)描述強,弱,電磁相互作用。測量波色的核素是膠子,W負和正以及Z波色。這模型還包括24種物質組元的基本粒子。最後,它預言一種稱為希格斯波色子的存在,但致今(截至2011年)尚沒發現。

高能物理 -研究方向
高能物理希格斯玻色子之-結構模型圖

可積量子場論,統計格點模型,超弦與M理論,QCD,大統一理論;

超對稱弱電統一理論和標準模型唯象,重味物理與CP不守恆;

量子色動力學的微擾和非微擾理論,中微子物理;

B與D介子物理;

費米子味混合與CP破壞及新物理現象學;

夸克物理,Higgs物理,超對稱模型,弱電和QCD手征對稱性相變;

北京譜儀(BES)新物理,暗物質,宇宙弦及暴漲宇宙學

高能物理 -相關實驗室
12種費米子12種費米子

歐洲核子研究中心位於法國和瑞士邊境日內瓦附近,其主要儀器有大型正負電子對撞機(2001年停用,現已拆除)、超級質子同步加速器和正在建造中的大型強子對撞器(2008年建成)。

德國電子同步加速器研究所位於德國漢堡,其主要設備是強子電子環設備(HERA),可用電子和正電子與質子相撞。

斯坦福直線加速器中心(SLAC)位於美國帕洛阿圖附近,其主要設備是PEP-II,用來碰撞電子和正電子。

費米實驗室(FNAL)位於美國芝加哥附近,其主要設備是太伏質子加速器(Tevatron),碰撞質子與反質子。

布魯克海文國家實驗室位於美國長島,其主要設備是相對論重離子對撞機,用來使重離子如金離子與質子相撞。

布德克核子物理研究所位於俄羅斯新西伯利亞。

高能加速器研究機構位於日本筑波,擁有一個測試中微子振蕩的K2K和測試正反B介子違反電荷宇稱(CP)守恆性的B介子工廠: Belle。 

大亞灣反應堆中微子實驗工程位於中國大亞灣核電站北側,主要物理目標是利用核反應堆產生的反中微子來測量中微子混合角θ13,該項目由中科院高能物理研究所主持。

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