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(zhì)、暗能量、反物質(zhì)結(jié)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(zhì)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. K

2、ibble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(chǎn)生質(zhì)量，人們稱它為”上帝粒子” 直至 2012.7.CERN LHC:Higgs-like CMS 125.3±0.4±0.5 GeV ATLAS 126.0±0.4 ±0.4

3、 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,ATLAS,粒子物理標準模型發(fā)展,粒子物理標準模型前期(1960-1966) S

4、U(3)對稱性分類, Quark 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

5、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(γ)，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、輕子以及傳遞相互作用的媒介子就是物質(zhì)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(gòu)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

6、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 t’Hooft-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(zhì))2008 Nobel物理獎Nambu- Kobayashi-M

7、askawa）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/Ψ (1974

8、) c quark1995 Nobel物理獎Perl及發(fā)現(xiàn)了τ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 中間玻色子的發(fā)現(xiàn) WZ(1983)1988 Lederman, Schwartz和 Steinberger 中微子對稱結(jié)構(gòu),1984年諾貝爾物理學獎授予瑞士日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心（CERN）Ca

9、rlo 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(jié)果。,諾貝爾物理學獎,1901—2015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/

10、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(zhì)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(zhì)結(jié)構(gòu)面臨的兩大挑戰(zhàn)：對稱性破缺的本質(zhì)和夸克囚禁。概括起來說，探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)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

11、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: Davis、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(zhì)量。,2015年諾

12、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(zhì)量?！?Takaaki 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(zhuǎn)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(zhuǎn)換到到另一種狀態(tài)的中微子。,,三代輕子,2002年度諾貝

13、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 θ13 = 0.092 ? 0.016(stat) ? 0.005(syst)發(fā)現(xiàn)θ13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,,,,,,,,,,,

14、,,,,,,,,,,,u,d,c,,s,t,b,e,m,t,ne,nm,nt,電荷,+2/3,-1/3,0,-1,夸克 ( q ),輕子 ( l ),“基本” 粒子,,從輕到重,mu=1.5-4.5 MeVmd=5-8.5 MeVms=80-155 MeVmc=1.0-1.4 GeVmb=4.0-4.5 GeVmt=174GeV,質(zhì)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

15、僅中間玻色子的質(zhì)量是通過對稱性破缺獲得的，而且夸克和輕子的質(zhì)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(zhì)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(zhì)量的起源困擾著高能物理學家們。這樣寬廣的質(zhì)量譜很可能反映了有更深層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。,Quark model&Pentaquark states,六十年代 發(fā)現(xiàn)了大

16、量強子態(tài)， 1960 反Σ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 Ω-發(fā)現(xiàn) 1964年 Gell-Mann提出Quark model。 1965-66 層子模型。,深層次物質(zhì)結(jié)構(gòu)是由什么組成的？,Quark model,質(zhì)量公式預言 m?-? 1670 MeV

17、實驗 m?-? 1672.45 ?0.29 MeV,s,I3,K+(u?s),K0(d?s),?-(?u d),?+(u?d),K-(s?u),?,?0,?K0(s?d),,,s,I3,K*+,K*0,?-,K*-,?+,?K*0,?0,,,,?,?,自旋為0,,,?0 =,u?u-d?d,,?2,自旋為1,,,Success and chanllege,Hadron spectrum--fraction charge partic

18、le? Three quark:u,d,s, 1974 November reolutionHadron: (qqq),(qqbar)No free quark--ConfinementSpin-statistics problem 1964 Greenberg Para statistics 1965-66 straton model,1974 Richter&Ti

19、ng c-quark,Pentequark state and heavy flavor at LHC, 2015,X、Y、Z particles,,IV. 暗物質(zhì)、暗能量、反物質(zhì),23%是非重子的暗物質(zhì) 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。,Smoot,Mather,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

20、宇宙微波背景輻射的各向異性，因為現(xiàn)代宇宙學的觀測已經(jīng)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(zhì)+暗能量”的宇宙模型。,,,暗物質(zhì)和暗能量,Stars and galaxies are only ~ 0.5%Neutrinos are ~ 0.3 –1%Rest of ordinary matter (electrons and proto

21、ns) are ~ 5%Dark Matter ~ 23%Dark Energy ~ 72%Anti-Matter ~ 0%,迄今為止，粒子物理學僅能解釋宇宙中物質(zhì)的百分之幾。暗能量和暗物質(zhì)的探索和物理解釋是對21世紀粒子物理學最嚴峻的挑戰(zhàn)！,占宇宙大部分的暗能量的本質(zhì)是什么？,23%是非重子的暗物質(zhì) 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

22、論。,暗物質(zhì),李政道教授：“暗物質(zhì)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?！痹谒拇ㄥ\屏山地面以下2400米處，這里建立了世界上最深的實驗室。,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物質(zhì)與反物質(zhì)不對稱 (6.1)×10^-10 小林和益川機制給出的CP破壞的起源給出的正反物質(zhì)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。

23、,2011年Nobel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Saul Perlmutter, 來自澳大利亞國立大學的天文學與天體物理學研究中心的Brian Schmidt和來自美國約翰-霍普金斯大學的Adam Riess,自然界三大難題,物質(zhì)結(jié)構(gòu)宇宙演化生命起源,,粒子物理學21世紀面臨許多挑戰(zhàn)： 標準模型 ： 夸克禁閉， 質(zhì)量起源