Lesson 4 粒子物理学与高能实验

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2025-10-15

—— Zhen Hu

什么是物理？

大约 135 亿年前，物质、能量、时间、空间诞生于所谓的宇宙大爆炸. 有关宇宙的这些基本特性的故事称为物理.
——《人类简史》

物理学的「极大」是广义相对论，在上面是宇宙学的标准模型；「极小」是粒子物理，在这之下是粒子物理的标准模型.

粒子物理具体而言解决的是一个人类在历史的早期就提出的哲学问题：「物质由什么组成 (基本组成单元是什么)？怎样组成？」

1964 年，Quark 模型提出，将已经发现的 200 多种强子列入「元素周期表」中，并预言了 $\Omega$ 粒子 (sss) 的存在，当年就直接在实验上发现了这种粒子，验证了标准模型.

1974 年 $J/\psi$ 粒子发现，让 quark 从三代变成四代，之前的 $\text{SU}(3)$ 模型变成了 $\text{SU}(4)$ 的，大幅扩展了标准模型.

一个成年人身上大约有多少个 quark？

$m_p\approx m_n\approx 1.7\times10^{-27}\text{ kg}$ ，一个质子 / 中子对应 3 个 quark，所以约 $10^{30}$ 个 quark.

全粲 4 quark 重子的发现：

通过理论模拟新粒子的质量峰；但是发现质量峰之间存在深沟，考虑到这几种双 $J/\psi$ 粒子之间的干涉效应之后，得到了更好的结果.

质量起源与 Higgs 机制

广义相对论证明了惯性质量等于引力质量，但是为什么？这就是 Higgs 机制. 我们从一个衰变的例子谈起，考虑

n\to p+e+\bar{\nu}_e

这种「凭空产生」非常奇怪. 所以我们想到，如果世界的本质不是粒子，而是场，那么所有的粒子可以理解为场的不同激发. 量子场论的基本观念就认为，各种粒子对应不同的场，真空中存在这些场的叠加，但是场的基态并不具有任何物理观测效应，只有激发才体现粒子的效果.

1964 年 Higgs 等人提出，空间中充满 Higgs 场，其他粒子在空间运动时与 Higgs 场相互作用，Higgs 场凝聚在其周围产生质量：

我们体会到「质量」，具体是通过惯性来理解.
但是考虑一个挤满人的教室，一个名人进来，他想要移动时会发现周围的人群围住了他，「惯性」变得很大，这是一个不是很恰当的比喻.

实验

一开始粒子物理用的是直线加速器，直线加速器每一段都会变得更长 (因为速度更大)，占据体积很大；后来考虑回旋加速器，但是这也需要一个大面积的真空环境；如果按照粒子的速度来改变磁场，那么就是同步加速器，只需要一根真空管.

但是加速单个粒子，碰撞时资用能是 $1/2$ ，对撞机能够获得 $100\%$ 的资用能.

目前粒子物理的半壁江山在欧洲核子中心 (CERN)，他们有一个 $30\text{ km}$ 长的对撞机 LHC，用一团一团大约 $10^{11}$ 个质子团来对撞，一次大约出现几十个对撞事件，数据量达到 $100\text{ TB/s}$ (因此粒子物理领域是最早接触大数据的)；同时为了通讯方便，万维网第一次出现在欧洲核子中心.