粒子物理前沿

1、粒子物理前沿中科院高能所 黃濤2015.11.5.于信陽師范學院粒子物理前沿 上帝粒子和標準模型 中微子振蕩 五夸克態(tài)和XYZ 暗物質、暗能量、反物質 結語 發(fā)現(xiàn)Higgs粒子上帝粒子 1964年，比利時物理學家R.Brout和F.Englert首次提出粒子如何得到質量的理論，一個月后，英國物理學家P.Higgs也發(fā)表論文明確提出存在一個新粒子的概念。同年稍晚，G. Guralnik、C.Hagen和T. Kibble將這些概念整合成了一種更為現(xiàn)實的理論這就是標準模型的前身。 1967年弱電統(tǒng)一模型建立后一直尋找Higgs粒子從低能到高能就是找不到，可標準模型必須有它存在產生質量，人們稱它為”

2、上帝粒子” 直至 2012.7.CERN LHC:Higgs-like CMS 125.30.40.5 GeV ATLAS 126.00.4 0.4 GeV 2013年物理學獎授予英國物理學家P.Higgs和比利時物理學家F.Englert，以表彰他們對Higgs玻色子所做的預測(與Englert同時發(fā)表論文的R.Brout在2011年去世). Large Hadron Collider CERN A machine for EWK Symmetry Breaking2009年運行年運行ATLAS粒子物理標準模型發(fā)展 粒子物理標準模型前期(1960-1966) SU(3)對稱性分類, Quar

3、k model , weak interaction pheno-theory 標準模型建立和發(fā)展(1967-present) 1967 electro-weak standard model 1973 quantum chromodynamics 標準模型成功和突破(1998-present) *弱電統(tǒng)一理論與描述夸克之間強相互作用的量子色動力學理論合在一起統(tǒng)稱為粒子物理學中的標準模型理論，這是廿世紀物理學最重要的成果之一。 *在標準模型中傳遞電磁相互作用的媒介子是光子()，傳遞弱相互作用的是荷電中間玻色子（W+，W-）和中性中間玻色子(Z)，傳遞強相互作用的是八種膠子（g）。 *夸克、輕子

4、以及傳遞相互作用的媒介子就是物質世界的基本單元，它們遵從的規(guī)律是標準模型理論。規(guī)范場論是構筑自然界四種基本相互作用理論的基礎。粒子物理標準模型Nobel物理獎 Theory(5)1979 Nobel物理獎Glashow-Weinberg-Salam規(guī)范場論統(tǒng)一弱、 電相互作用(1961,1967)1999 Nobel物理獎 tHooft-Veltmen非 阿貝爾規(guī)范場重整化（1979）2004 Nobel物理獎1973年 Gross-Wilczek-Politzer奠定了量子色動力學理論基礎。(1973 QCD漸近自由性質)2008 Nobel物理獎Nambu- Kobayashi-Maska

5、wa）對稱性破 缺起源的發(fā)現(xiàn)(1960,1973 )2013 Nobel物理獎Englert-Higgs預 言了Higgs粒子(1964) Experiment(5)1990 Nobel物理獎Friedman,Kendall,Taylor 發(fā)現(xiàn)夸克存 在的第一個實驗證明 (1967-1968)1976 Nobel物理獎Richter&丁肇中發(fā)現(xiàn) 了新粒子J/ (1974 ) c quark1995 Nobel物理獎Perl及發(fā)現(xiàn)了輕子 雷恩斯與C.考溫首次成功地觀察到電 子反中微子 (1975 )1984 Nobel物理獎Rubbia和Simon van der Meer 中間玻色子的

6、發(fā)現(xiàn) WZ(1983)1988 Lederman, Schwartz和 Steinberger 中微子對稱結構1984年諾貝爾物理學獎授予瑞士日內瓦歐洲核子研究中心（CERN）Carlo Rubbia和Simon van der Meer 1972年t Hooft和Veltman提出維數(shù)正規(guī)化方法證明了非阿貝爾規(guī)范場論采用維數(shù)正規(guī)化方法可以保持理論的規(guī)范不變性和洛侖茲不變性使得理論可重整化。這樣非阿貝爾規(guī)范理論才能有效地計算微擾論的高階修正結果。諾貝爾物理學獎19012015年獲獎109屆 粒子物理和核物理占了物理學的1/2， 凝聚態(tài)物理占了物理學的1/3左右， 其他物理合起來占了物理學的1/

7、6左右。檢驗、發(fā)展標準模型和尋找新物理 從實驗和理論上改善精度檢驗標準模型 上帝粒子性貭 夸克禁閉 質量起源標準模型并不是基本理論而是更深層次(新能標)動力學規(guī)律下的有效理論。 探索物質結構面臨的兩大挑戰(zhàn)：對稱性破缺的本質和夸克囚禁。概括起來說，探索物質結構正向三個方向發(fā)展： 1. 向超高能量發(fā)展，例如西歐中心的LHC和 未來的CEPC, ILC； 2. 向高精度發(fā)展，例如Super-B工廠、Super-粲工廠; 3. 宇宙學前沿，向地下和天上發(fā)展等。這 三大前沿方向的發(fā)展相輔相成，目標在于深入研究現(xiàn)今這一層次的夸克、輕子以及相互作用的運動規(guī)律 中微子振蕩2002 Nobel物理獎: Davi

8、s、小柴昌俊(Koshiba)和賈科尼測量了宇宙中中微子。2015 Nobel物理獎: Kajita和McDonald獲獎。發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，表明中微子具有質量。2015年諾貝爾物理學獎日本科學家Takaaki Kajita和加拿大科學家Arthur B. McDonald獲獎。獲獎理由是“發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，表明中微子具有質量?！盩akaaki Kajita在超級神岡探測器（Super-Kamiokande detector）上的發(fā)現(xiàn)：大氣中的中微子會在兩種狀態(tài)之間轉換。Arthur B. McDonald通過實驗發(fā)現(xiàn)，太陽中的中微子消失是因為轉換到到另一種狀態(tài)的中微子。 , , eemtnn

9、ntm驏驏驏桫桫桫三代輕子2002年度諾貝爾物理獎授予美國科學家Davis、日本科學家小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)和美國科學家里卡多-賈科尼。1968年，美國戴維斯發(fā)現(xiàn)太陽中微子失蹤，1998年日本神崗實驗和美國IMB實驗觀測到超新星中微子。Sin 13 = 0.092 0.016(stat) 0.005(syst)發(fā)現(xiàn)13不為零，等價于發(fā)現(xiàn)新的中微子振蕩模式信號顯著性為5.2倍標準偏差：振蕩不存在的概率為一千萬分之一udcstbem m n nen nm mn n 電荷電荷+2/3-1/30-1夸克夸克 ( q )輕子輕子 ( l )“基本基本” 粒子粒子 從輕到重 mu=

10、1.5-4.5 MeV md=5-8.5 MeV ms=80-155 MeV mc=1.0-1.4 GeV mb=4.0-4.5 GeV mt=174GeV質量起源困擾 標準模型并不是基本理論而是更深層次(新能標)動力學規(guī)律下的有效理論。在標準模型中，不僅中間玻色子的質量是通過對稱性破缺獲得的，而且夸克和輕子的質量也是通過引入Higgs場湯川型耦合給出的。然而輕子和夸克的質量譜從電子伏特(eV)一直到180GeV(1GeV=10 eV)，可以相差11個數(shù)量級，即使同一層次的夸克也從幾MeV到180GeV，相差上萬倍，其質量的起源困擾著高能物理學家們。這樣寬廣的質量譜很可能反映了有更深層次的物質

11、結構。Quark model&Pentaquark states六十年代 發(fā)現(xiàn)了大量強子態(tài)， 1960 反粒子發(fā)現(xiàn), 王淦昌等。 1961 SU(3) 八重態(tài)方案，對稱性分類。 Neeman,Gell-Mann 1964 -發(fā)現(xiàn) 1964年 Gell-Mann提出Quark model。 1965-66 層子模型。 深層次物質結構是由什么組成的？Quark model質量公式預言 m- 1670 MeV 實驗 m- 1672.45 0.29 MeVsI3K+(us) K0(ds) -(u d) +(ud) K-(su) 0 K0(sd) sI3K*+ K*0 - K*- + K*0 0

12、 sI3n(udd) p(uud) -(dds) 0 (uds) 0 + (uus) -(dss) 0(uss) (sss)0 -+ + 0*-*+(ddd)(udd)(uud)(uuu)(dds)(uds)(uus)*-*0(uss)(dss)-自旋為00 = uu-dd2 自旋為1Success and chanllege Hadron spectrum-fraction charge particle? Three quark:u,d,s, 1974 November reolution Hadron: (qqq),(qqbar) No free quark-Confinement Sp

13、in-statistics problem 1964 Greenberg Para statistics 1965-66 straton model1974 Richter&Ting c-quarkPentequark state and heavy flavor at LHC, 2015X、Y、Z particlesIV. 暗物質、暗能量、反物質 23%是非重子的暗物質 72%的暗能量。 粒子物理學家也正在與宇宙學家和天體物理學家聯(lián)手從天文觀測和宇宙演化中發(fā)展新觀念和新理論。SmootMather發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性 2006年諾貝爾物理獎授予宇宙微波背景輻射的各

14、向異性，因為現(xiàn)代宇宙學的觀測已經為粒子物理的發(fā)展奠定了全新的方向。WMAP宇宙微波背景呈現(xiàn)的各向異性 宇宙是平坦的并在加速膨脹， 強有力地支持了“暴漲+暗物質+暗能量”的宇宙模型。 0.a3/plStars and galaxies are only 0.5%lNeutrinos are 0.3 1%lRest of ordinary matter (electrons and protons) are 5%lDark Matter 23%lDark Energy 72%lAnti-Matter 0%迄今為止，粒子物理學僅能解釋宇宙中物質迄今為止，粒子物理學僅能解釋宇宙中物質的百分之幾。的百分

15、之幾。暗能量和暗物質的探索和物理解釋是對暗能量和暗物質的探索和物理解釋是對21世世紀粒子物理學最嚴峻的挑戰(zhàn)！紀粒子物理學最嚴峻的挑戰(zhàn)！ 23%是非重子的暗物質 72%的暗能量。 粒子物理學家也正在與宇宙學家和天體物理學家聯(lián)手從天文觀測和宇宙演化中發(fā)展新觀念和新理論。l李政道教授：“暗物質是籠罩20世紀末和21世紀初現(xiàn)代物理學的最大烏云，它將預示著物理學的又一次革命?！眑在四川錦屏山地面以下2400米處，這里建立了世界上最深的實驗室。l早期宇宙處于高度對稱狀態(tài)，粒子數(shù)和反粒子數(shù)相等遵從電荷共軛對稱性l物質與反物質不對稱 (6.1)10-10 l小林和益川機制給出的CP破壞的起源給出的正反物質不對稱遠遠小于10-10。尋找新的CP破壞機制是粒子物理學和宇宙學的重要課題。 l2011年年Nobel物理學獎頒發(fā)給了三位利用物理學獎頒發(fā)給了三位利用高紅移超新星研究從觀測上給出了宇宙高紅移超新星研究從觀測上給出了宇宙加速膨脹證據(jù)的科學家，他們是來自加加速膨脹證據(jù)的科學家，他們是來自加州大學伯克利分校的州大學伯克利分校的Saul Perlmutter, 來來自澳大利亞國立大學的天文學與天體物自澳大利亞國立大學的天