内磁层中行星际激波激发的超低频波对“杀手”电子和能量离子的快速加速

辐射带中的能量电子与离子是首要的空间天气威胁. 理解这些粒子如何在辐射带中被 加速是空间物理学的主要挑战之一. 本文总结了行星际激波在内磁层激发的超低频(ULF)波 对“杀手”电子与能量离子的快速加速的最新进展. 甚低频(VLF)波-粒子相互作用被认为是电 子加速的主要机制之一, 这是因为电子回旋共振容易在VLF 波频率范围内发生. 最近, 运用4 颗Cluster 卫星的观测, 发现在行星际激波作用于地球磁层之后, 辐射带中的能量电子几乎立 即被加速, 并且加速过程持续数小时. 传统的加速机制是基于VLF 波粒相互作用加速电子至 相对论能量, 时间尺度长达数天, 因而无法解释我们的观测. 进一步发现行星际激波或太阳 风压强脉冲, 与更加小的动压变化, 对辐射带动力学起到无法忽视的作用. 行星际激波与地 球磁层相互作用会产生许多重要的空间物理学现象, 包括能量粒子加速. 由行星际激波作用 引起的辐射带能量电子的快速加速的机制包括3 个组成部分: (1) 由与激波相关的磁场剧烈压 缩引起的初始绝热加速; (2) 与不同L 壳层被激发的极向模ULF 波造成漂移-共振加速; (3) 与 ULF 波相关的快速衰减的电场引起的粒子加速. 粒子最终会获得净加速, 因为它们在上半个 周期获得的能量多于在下半个周期损失的能量. 本文得到的结果对理解在地球Van Allen 辐 射带中的能量粒子加速有了新的认识, 同样也可以被应用于行星际激波与其他行星的相互作 用, 例如水星、木星、土星、天王星和海王星, 以及其他有磁场存在的天体.     

宇宙绳

现代的基本粒子理论认为在10~(15)～10~(15)GeV以上的能量,所有基本粒子的相互作用(除引力外)有相同的强度。这样的能量是远远超过粒子加速器的范围,而且能够检验这些概念的主要战场是大爆炸不久以后的早期宇宙。随着宇宙膨胀和从极高温度冷却下来,粒子相互作用间对称性出现了自发破缺,一般是分为几步,因此强力、弱力与电磁力变得不同。现代的基本粒子理论认为在10~(15)～10~(15)GeV以上的能量,所有基本粒子的相互作用(除引力外)有相同的强度。这样的能量是远远超过粒子加速器的范围,而且能够检验这些概念的主要战场是大爆炸不久以后的早期宇宙。随着宇宙膨胀和从极高温度冷却下来,粒子相互作用间对称性出现了自发破缺,一般是分为几步,因此强力、弱力与电磁力变得不同。     

SU_3~(2)八重态矢量介子和长寿命重粒子

最近在实验中发现了质量为3.105GeV.,衰变宽度小于1.9 MeV.的粒子。发现者称之为J粒于或ψ_(3100)粒子。接着又在实验中发现了质量为3.695GeV.,衰变宽度小于2.7MeV.的粒子。发现者称之为ψ_(3700)粒子。这二个粒子的显著特点是:它们的质量比任何在实验上已经确证其存在的基本粒子为重,但是它们的寿命比强子高激发态的寿命长百倍。它们的发现为探索基本粒子的结构提供了新的线索。 可以将在实验上已经发现的,或在理论上正在广泛讨论的基本粒子分为三类:     

‘宇素——结构＇系统宇宙模型：新元素周期表的推导与说明之二

‘宇素——结构’系统宇宙模型，是笔者首次提出的。这里所说的宇素，包括基本粒子(如各种夸克、轻子、重子)和由基本粒子组成的基础粒子(不同元素等)。它们是组成宇宙物质(包括各类天体)的基本成分。     

中子的发现

在现在我们已知的几百种基本粒子中,有一些粒子的发现具有特别重大的意义,而且颇具戏剧性,以致我们以今天的眼光来回颐这段历史时,仍能得到很多启示。中子的发现,就是这样的一个例子。中子是由英国物理学家查德威克(J.Chadwick)     

夸克有内部结构吗?

"夸克"是目前人类所知的构成物质世界的基本粒子之一,也是在粒子物理"标准模型"中参与所有已知的基本相互作用的唯一的基本粒子.实验寻找比夸克更小的基本粒子,或者验证是否夸克具有更加细微的内部结构,这是现代高能物理研究寻找超出标准模型新粒子的重要手段,也是高能量前沿的重要研究课题.     

宇宙线起源中物理学前沿问题

宇宙线是由奥地利物理学家赫斯在1912年高空气球实验中发现的.此后,人们在宇宙线的研究中发现了众多的基本粒子及其相互作用规律,中微子振荡的最早发现也来自太阳中微子和大气中微子实验.迄今为止,人们所知道的最高能量的粒子也来自于宇宙线的观测.宇宙线的起源、加速和传播是一个世纪科学问题,从中诞生了高能伽玛天文学、高能中微子天文学和极高能宇宙线天文学.目前,人们已经发现了为数众多的电子加速源,但作为宇宙线成分中最为主要的核子,其起源问题依然没有解决.精确测量宇宙线核子的成分和能谱,观测和研究高能伽玛射线、高能中微子及极高能宇宙线的产生地点和相关机制,有助于解决宇宙线的起源问题.此外,这些研究也是间接探测暗物质粒子,研究宇宙演化和新物理学规律的重要手段.     

激光加速原理

为了“深究,基本粒子的深层内部结构,人们建造了越来越大的加速器.但是目前的电子或质子加速器由于受造价、特别是材料的限制,进一步提高的程度已有限,所以不得不把注意力转向探索能加速粒子的断型加速器.我国科学工作者彭桓武、庄杰佳在激光加速原理方面提出了一种新方案,受到了科学界的很大关注.本刊特请庄杰佳同志撰写《激光加速原理》一文向读者作一介绍.     

自然信息

荷电密度波系统有可能存在带分数电荷的准粒子在基本粒子领域中,夸克可能存在分数电荷;那么在固体物理领域中,是否也有可能存在带分数电荷的准粒子呢? 诺贝尔奖金获得者徐瑞弗(J.R.Schrieffer)及其合作者的最     

“上帝粒子”也许并不存在

希格斯玻色子是由英国人彼得·W·希格斯(Peter W.Higgs,左上图)等物理学家在上世纪60年代提出的一种基本粒子,它被认为是物质的质量之源,因此被称为"上帝粒子"。但这种粒子就像神话中的独角兽一样难觅影踪。尽管科学家们仍在努力寻找其踪     

宇宙是由什么构成的?

通过星系、星系团,乃至宇宙整体的动力学行为,天文学家发现宇宙中绝大部分物质是不发光的,即暗的.其中暗物质占宇宙中总物质和能量的27%,暗能量占68%,而普通物质(即粒子物理标准模型粒子)只占5%.暗物质和暗能量是当代天文学和物理学的重大发现,是主要研究前沿.我们回顾暗物质和暗能量的发现历史、已知属性和待解决的问题.     

物理学中11个最大未解问题（续）

在超高温度和密度下，物质存在新的状态吗? 在极端能量条件下，物质要经历一系列的变化，原子会分裂成它们的最小组成单元。这些组成单元是被称为夸克和轻子的基本粒子。就我们所知，这些基本粒子不会再分裂成更小的部分了。夸克非常喜好群居，人们从未看到过单个的夸克。相反，它们会与其     

暗能量和加速膨胀的宇宙

1998年发现的宇宙加速膨胀是当代科学中最重大的课题之一.理论上,宇宙的加速膨胀可能意味着当前宇宙中约三分之二的能量密度是由一种新的能量组分,即暗能量所提供的也可能意味着爱因斯坦提出的广义相对论在宇宙学尺度上需要修正.暗能量和修正引力这两种完全不同的物理机制可以给出完全相同的宇宙背景膨胀历史,但却预言不同的结构形成过程.因此,我们可以通过观测宇宙的大尺度结构形成和演化来区分这两种不同的物理机制,揭示宇宙加速膨胀背后的物理规律.宇宙大尺度星系巡天是研究宇宙加速膨胀机制的重要探针之一.基于星系巡天,我们可以通过测量重子声波振荡(baryonic acoustic oscillations,BAO)和红移空间畸变(redshift space distortions,RSD)两种特殊的星系成团属性,同时测量宇宙的背景膨胀和结构形成历史,进而分别开展暗能量性质以及引力研究.SDSS(Sloan Digital Sky Survey)三期的BOSS(Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey)巡天是近期完成的世界最大规模的星系巡天.通过对10000平方度左右天区的观测,BOSS获取了近一百万条星系光谱.基于BOSS的观测,我们对暗能量和引力性质开展了深入研究,并发现了暗能量的动力学迹象.目前正在巡天的e BOSS(extended Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey)项目以及后续的DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument)和PFS(Prime Focus Spectrograph)等大型巡天将在更高的红移、以更高的精度测量BAO和RSD,这将为宇宙加速膨胀机制的研究提供关键的观测支持.     

1930年以来的粒子物理学——自然界简单性和一致性观念的进化史

1930年以前,原子物理学认为只有质子和电子是物质的基本结构单位即“基本粒子”。这种只有在两种基本粒子的观点与物理学家们对自然界秩序的过分简单化的看法非常一致。而且人们发现这两种基本粒子都带有电荷和质量。因此,很多物理学家包括象玻尔(Bohr)和爱丁顿(Eddington)这样的领袖人物,对于中微子和中子具有基本粒子特性的假设在很长一段时间里都持怀疑态度。按照他们的观点,承认这些新的基本粒子,会带来两个不愉快的后果,第一,这会动摇长久以来人们对自然界简单性原则的信任;第二,这意味着无电荷、无质量这种光子的属性也会成为任何基本物质粒子的自然属性。除掉这种怀疑论以外,在一些理论家中,还有一种实证主义观点,不愿在理论上承认这种“没有观测到的粒子”。另一方面,某些实用主义的理论家则大胆地表示,愿意引入没有观测到的粒子,以便取得概念上的突破。自从本世纪四十年代后期以来,大量的所谓多余粒子的意外出现,极大地震动了原子物理学家们,同时也使他们的脑子大为开窍。他们已经认识到,复杂微妙的对称和守恒定律必须设法达到对各种亚原子现象的完全统一,他们还倾向于发展一种新的信念:即便不能发现或观测到独立状态的“真正的”基本粒子,也不能证明它们并不存在。     

宇宙线高能物理学进展

宇宙线的发现已有六十多年的历史了,在这段时间里,它对高能物理的研究起了很重要的作用。一、历史的贡献人们早就注意到宇宙线粒子的能量比天然放射性粒子的能量高得多,因而最初的高能物理实验都是在宇宙线中进行的.1932年,安德逊(Anderson)在宇宙线中发现了正电子,这可以说是基本粒子物理学的开端.这以后的宇宙线实验推动了量子辐射理论的建立,对电子辐射光子、光子转换为电子对和在能量足够高时形成的级联簇射现象进行了研究.在这些研究中,发现了一种辐射特性比电子弱得多而又不是质子的带电粒子,后来测出它的质量约为电子质量的200倍,即μ介子.最初人们以为这就是汤川所预言的传递核力的介子,但随后的实验表明μ介子与原子核的作用是很弱的,它不可能是传递核力的介子;1947年,     

加速粒子在激光技术中的应用

当前,激光技术应用十分广泛,它几乎已渗透到各个领城中去.但随着应用的日益扩大,人们对激光器提出了更高的要求,希望能出现波长范围很宽、又连续可调的高功率激光器.而将加速粒子应用于激光技术中,就能比较满意地解决这些问题. 加速器是一种用人工方法对带电粒子如电子、质子和离子等进行加速以提高其能量的装置.加速粒子     

理查德·泰勒(1929—2018)

正理查德·泰勒因发现夸克(宇宙中最基本的粒子之一)而获得诺贝尔物理学奖。2018年2月22日,出生于加拿大的实验物理学家理查德·泰勒(Richard E.Taylor)在加州斯坦福大学去世,享年88岁。1990年,他因发现宇宙中最基本的粒子之一——夸克——而获得诺贝尔物理学奖。他所任职的斯坦福大学宣布了他的死讯,但没有提及死亡的原因。20世纪60年代末,夸克的发现是物理学上一件惊天动地的大事。它为标准模型理论的发展铺平了道路,该理论是所有已知基本粒子和力的分类系统。"在发现夸克之前,我们已经知     

质子会衰变吗?

自然界中的自由中子是不稳定的,可以衰变成质子,同时放出一个电子和一个中微子,平均衰变寿命大概是15 min,可是到目前为止并没有观察到质子衰变.本文从粒子物理标准模型(夸克、轻子、希格斯粒子为基本粒子和它们之间基本相互作用)出发,讨论了质子衰变的可能性.建立在标准模型基础上的大统一模型给出了质子寿命的下限.文章同时介绍了目前实验给出的质子衰变寿命下限.     

激光离子加速机制研究新进展

常规粒子加速器由于存在电场击穿的限制,加速梯度低于100MV/m,所以随着粒子能量的增加,加速器的长度和体积变得越来越庞大.例如,美国斯坦福大学的直线型     

物理学中11个最大未解问题

(续上期 )在超高温度和密度下 ,物质存在新的状态吗 ?在极端能量条件下 ,物质要经历一系列的变化 ,原子会分裂成它们的最小组成单元。这些组成单元是被称为夸克和轻子的基本粒子。就我们所知 ,这些基本粒子不会再分裂成更小的部分了。夸克非常喜好群居 ,人们从未看到过单个的夸克。相反 ,它们会与其他夸克结合形成质子和中子 (每个质子由三个夸克组成 )。进一步 ,它们会与轻子 (比如电子 )结合形成整个原子。例如 ,氢原子就是由一个质子和一个绕着它运动的电子组成的。接下来 ,原子会与其他原子结合形成分子 ,比如Ｈ2 Ｏ (水分子 )。随着温…