高能物理博士点
编辑:管理员     发布时间: 2017-11-09

    高能物理又称粒子物理,它是研究比原子核更深层次的微观世界中物质的的基本组元和它们之间相互作用规律的一门科学。

       高能是指研究粒子物理需要由高能加速器(或宇宙线)提供高能粒子源作为实验手段,能量大于1GeV109电子伏),称高能。

    高能物理是分子物理,原子物理,原子核物理的自然发展与深化。两千多年来人们关于物质是由原子构成的思想,一直到1897年,汤姆逊在实验中发现了电子,1911年卢瑟福由α粒子大角度弹性散射实验,证实了带正电的原子核的存在。这样,就从实验上证明了原子的存在,以及原子是由电子和原子核构成的理论。

 1932年,查德威克在用α粒子轰击核的实验中发现了中子。随即人们认识到原子核是由质子和中子构成的,从而得到了一个所有的物质都是由基本的机构单元(质子、中子和电子)构成的统一的世界图像

 此后,在宇宙线中发现了μπ 以及其它粒子(如 K介子等)。特别是从50年代初开始建造能量越来越高、流强越来越大的粒子加速器。实验上也相继出现了新的强有力的探测手段,如大型气泡室、火花室、多丝正比室等,开始了新粒子的大发现时期。

 基本粒子大量发现,使人们怀疑这些基本粒子的基本性。基本粒子的概念,面临一个突变。经过数十年的实验和理论的深入研究,到上世纪70年代取得了最大的成就是建立了描述物质相互作用基本规律的理论-标准模型。标准模型的主要内容是:

 

物质由三代夸克与三代轻子构成

                第一代   第二代    第三代

三代夸克     u        c         t

                d        s         b

 

三代轻子     e        m         t

                            ne       nm         nt

 

自然中三种基本相互作用:

电磁相互作用,弱相互作用和强相互作用。相互作用分别由它们各自的传播子传递。电磁作用和弱作用由电-弱统一理论描述,强相互作用由量子色动力学(QCD)描述。

 

传递相互作用的粒子:

        光子       电磁相互作用       电-弱统一理论

W± Z     弱相互作用        电-弱统一理论

胶子       强相互作用        量子色动力学(QCD

   

    标准模型获得了巨大成功。迄今为止,所有实验测量的结果都与标准模型的预言一致,而且达到很高的精度。虽然标准模型对实验结果的解释很成功,但它也有很多缺陷。它所预言的希格斯粒子至今尚未找到,实验上也出现一些超出标准模型的现象。自从标准模型建立之后,物理学家们就一直在努力完善它并尝试超越它。坐落在瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心(CERN)内的大型强子对撞机(Large Hadron ColliderLHC)。其建造的目的就是要对标准模型进一步检验和探索超出标准模型的新物理。人们预期可以取得重要突破。另外从发展趋势来看,粒子物理学的进展肯定会在宇宙演化的研究中起推进作用。

   高能物理研究的内容涉及到最基本的物质结构以及相互作用规律进而到宇宙演化,在人们认识世界和改造世界过程中起到重要作用。始终处于科学的最前沿。

    山东大学高能物理的研究方面有很长的历史,是国内最早开展这方面研究的单位之一。1956著名物理学家王普先生由美回国,来山东大学任教。王普先生在我国核物理学界的先驱者中占有重要的地位,他是最早参加中子物理与核裂变物理研究并对缓发中子的发现做出了重要贡献的中国物理学家。缓发中子的发现的学术价值,不仅在于是发现了一种新的发射中子的放射性,更重要的是,缓发中子在链式反应的控制中极为重要。给核能的利用开辟了无限广阔的前景。王先生来校后建立了原子物理教研室。他开辟了两个研究课题,一个是利用原子核乳胶研究不稳定粒子;一个是利用闪烁谱仪研究X光的光谱和各种材料对它的吸收。这两项研究不仅有重要科学意义,而且当时在国内高等学校也是切实可行的。

    1958年夏,山东大学和中国科学院在青岛联合主办了粒子物理与理论物理讲习班。这在我国粒子物理与核物理的发展上是一个具有里程碑意义的事件,是我国首次集聚了高等院校与科学院所从事该领域研究的有关人员,进行了动员和培训。讲习班邀请国内著名的专家中科院朱洪元研究员与北京师范大学张宗燧教授进行了专题讲授。参加这次讲习班的人员中大多成为此后该领域研究和组织工作的骨干力量,其中更有许多人已成为我国粒子物理与核物理研究领域的领军人物。

    在王普先生的领导下,山东大学在宇宙线高能核相互作用中产生超裂片的研究方面取得了很好的成绩。当时这项研究工作国际上也刚起步不久,可以说是一项与国际前沿齐头并进的工作。在当时国内的条件下非常难得,深受国内同行的称赞与重视。后来这项研究工作得到了进一步的深入和发展。1962年,山东大学利用苏联杜布纳联合原子核研究所高能加速器9 GeV质子束曝光的乳胶迭,对高能质子与乳胶中重核相互作用中裂片化机制进行了系统的研究。通过了几年的努力,取得了一批成果,在国内学术刊物上发表了多篇文章,在国内产生了很受关注的影响。1966年开始的文化大革命动乱使该项研究工作被中断。

    文化大革命结束后,迎来了科学的春天。1977年,山东大学与高能所及其它有关单位赴西藏甘巴拉山建立了高山乳胶室宇宙线观测站。甘巴拉山海拔5500米,是世界上最高的高山乳胶室。这一有利的地理条件,吸引了国外同行的加入。1980年该实验发展成为与日本的合作项目。西藏甘巴拉山乳胶室规模逐年扩大,发展成为了国际上著名的四大高山乳胶室实验之一。用大面积乳胶室研究宇宙线超高能核作用,是探索1014 --1017 eV. 能域的高能核作用的规律和寻找新现象的一个主要手段。乳胶室探测的能量非常高,其上限比目前能量最高的强子对撞机还高 1--2 个数量级;并且它可以研究对撞机难以观测的高能核作用的碎裂区信息,因此是粒子物理最前沿课题之一。甘巴拉高山乳胶室实验许多方面在该研究领域都处于国际先进水平。取得了一系列属于这个领域前沿的重要物理结果。山东大学王承瑞教授是我国在这一领域的主要学术带头人之一。他多次率我国代表团参加国际宇宙线会议,甘巴拉高山乳胶室实验合作组中方对外发表的论文大多由他定稿,并由他代表在历次国际宇宙线会议上宣读。王承瑞教授于1981年当选为国际宇宙线委员会乳胶室专业委员会委员。1985年被国务院学位委员会聘为理科学位评议组成员。

    1981年我国建立了研究生学位体制。山东大学被国务院学位委员会批准为我国首批高能物理(粒子物理)专业博士学位授权点。当时国内只有山东大学和高能所有高能物理专业博士学位授予权。直到1997年国家学科目录调整之前,山东大学是全国高校中唯一的高能物理博士点(1997年国家将高能物理与核物理合并为一个学科:“粒子物理与核物理”)。1984年王承瑞教授作为导师培养出了全国第一位高能物理学博士。

    上世纪80年代以后,国内外高能物理事业的蓬勃发展以及我国的改革开放政策不断深入,山东大学加强了国内外合作研究,与国际上最主要的高能物理实验中心都有的密切合作的关系。山东大学最早参加了我国正负电子对撞机/北京谱仪并在软件建设方面有显著贡献;在参加欧洲大型强子对撞机ATLAS合作实验中在探测器的建设方面做出了重要贡献,提高了我国科技工作者在国际合作中的地位,为国家争得荣誉;在与美国费米国家实验室的长期密切合作中,取得科研成果的同时为学校培养了一批人才。

山东大学粒子物理与核物理学科近几年得到了迅速发展:1994年被批准为山东省重点学科,高能物理实验室被批准为山东省重点实验室。2007年列为国家重点学科。2011年批准为教育部重点实验室。学科点的力量和研究内容得到了加强和拓展。目前有四个主要研究方向:加速器高能物理,粒子物理理论,非加速器高能物理和低能加速器物理。取得了许多高水平的研究成果。山东大学的粒子物理与核物理学科已经成为国内该领域一支重要的力量。当前国际高能物理蓬勃发展,我国科技事业蒸蒸日上,面对这一大好形势。具有传统优势和特色的山东大学粒子物理学科应该更加努力迎接挑战做出好的成绩。