物理學(xué)論文-近代物理系的高能物理研究現(xiàn)狀.doc

物理學(xué)論文-近代物理系的高能物理研究現(xiàn)狀摘要:文章簡要介紹了中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系的高能物理唯象理論和實(shí)驗(yàn)研究的發(fā)展現(xiàn)狀,并總結(jié)了最近幾年中取得的進(jìn)展情況.關(guān)鍵詞:高能物理，TeV能量對(duì)撞機(jī)，標(biāo)準(zhǔn)模型精確檢驗(yàn)，粒子探測技術(shù)，HighenergyphysicsintheDepartmentofModernPhysics,UniversityofScienceandTechnologyofChinaMAWen|GanWANGXiao|Lian(DepartmentofModernPhysics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China)AbstractAnoverviewisgivenofthedevelopmentofhighenergyphysicsintheDepartmentofModernPhysics,UniversityofScienceandTechnologyofChina.Wesummarizetheprogressoverrecentyearsinbothphenomenologytheoryandexperimentalresearch.Keywordshighenergyphysics,TeVenergycolliders,precisetestoftheStandardModel,particledetectiontechnology,newphysicsbeyondtheStandardModel1高能物理研究當(dāng)前仍然是基礎(chǔ)物理科學(xué)的最前沿，被認(rèn)為是最重要的學(xué)科之一.它深刻地影響著人類對(duì)物質(zhì)世界認(rèn)識(shí)的基本觀念.在基礎(chǔ)理論研究方面，高能物理在不懈地探討微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其相互作用、質(zhì)量起源、時(shí)空本性等基本理論問題，這些研究又和宏觀宇宙學(xué)之間存在很強(qiáng)的互相推動(dòng)作用.高能粒子對(duì)撞機(jī)是研究物質(zhì)最基本的結(jié)構(gòu)和相互作用規(guī)律的重要、有效的工具.對(duì)高能物理的研究和其研究手段的每次重大突破都會(huì)帶來物理學(xué)新領(lǐng)域、新方向的發(fā)展,甚至新的學(xué)科分支的產(chǎn)生.它對(duì)于加深人類對(duì)物質(zhì)世界更深層次基本規(guī)律的認(rèn)識(shí)有著重要意義.即將投入運(yùn)行的TeV能量大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）和計(jì)劃建設(shè)的國際直線對(duì)撞機(jī)（ILC）便是驗(yàn)證高能物理理論的極好的大型設(shè)備.隨著新一代的超高能量的對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取，高能物理的研究將面臨著又一次新的重大突破.理論上預(yù)言的黑格斯粒子和可能的新物理信號(hào)將會(huì)被發(fā)現(xiàn).這些將會(huì)是本世紀(jì)初物理學(xué)的重大進(jìn)展.粒子物理的發(fā)展涉及了多種學(xué)科和前沿技術(shù).粒子物理實(shí)驗(yàn)科學(xué)實(shí)際上與加速器技術(shù)、粒子探測技術(shù)等近代物理技術(shù)密切相關(guān).實(shí)踐證明，粒子物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)的創(chuàng)新對(duì)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中諸多技術(shù)問題的解決具有重大作用.下面我們對(duì)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（以下簡稱中國科大）近代物理系的高能物理研究發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行兩方面的介紹：一是高能物理唯象理論研究方面；二是高能物理實(shí)驗(yàn)研究方面.2高能物理唯象理論研究始于1985年，當(dāng)時(shí)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)參加了丁肇中先生領(lǐng)導(dǎo)的DESYMARK|J實(shí)驗(yàn)和歐洲核子研究中心L3實(shí)驗(yàn)的國際合作研究.我們的唯象理論研究就是當(dāng)時(shí)針對(duì)大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象學(xué)進(jìn)行研究而發(fā)展起來的.從那時(shí)起，其研究課題就一直與國內(nèi)外的大型高能物理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象學(xué)緊密結(jié)合.其研究工作的特點(diǎn)是：注重研發(fā)粒子物理理論研究所需的計(jì)算物理新方法和計(jì)算程序，建立了自己獨(dú)特的高能計(jì)算物理實(shí)用軟件環(huán)境，目前該實(shí)驗(yàn)室擁有先進(jìn)的量子場論復(fù)雜計(jì)算的技術(shù)和能力,擁有研究室自己的高能物理理論計(jì)算和數(shù)據(jù)分析的PCFARM，并建成了DZEROSAMGRID的D0USTC節(jié)點(diǎn)，使我們的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)正式成為D0合作組標(biāo)準(zhǔn)MONTECARLO事例產(chǎn)生主要節(jié)點(diǎn).因而，該實(shí)驗(yàn)室在現(xiàn)象學(xué)理論研究和物理分析方面具有很強(qiáng)的國際競爭力.近年來，粒子物理唯象理論研究室的理論研究課題密切結(jié)合他們參加的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室D0組的實(shí)驗(yàn)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC上Atlas組的實(shí)驗(yàn)和未來的國際直線對(duì)撞機(jī)ILC上實(shí)驗(yàn)所涉及的TeV物理現(xiàn)象學(xué)，集中研究標(biāo)準(zhǔn)模型理論的精確檢驗(yàn)和新物理信號(hào)的探索.重點(diǎn)研究內(nèi)容涉及:Higgs物理、Top物理、超對(duì)稱理論現(xiàn)象學(xué)、超引力模型現(xiàn)象學(xué)、額外維模型和最小Higgs模型現(xiàn)象學(xué)、超高能量下CP破壞來源研究等.考慮到未來對(duì)撞機(jī)上尋找新粒子和深入了解電弱破缺機(jī)制的物理實(shí)驗(yàn)中所處的重要地位，我們從研究如何實(shí)現(xiàn)高精度量子修正的數(shù)值計(jì)算方法問題入手解決對(duì)撞機(jī)物理現(xiàn)象中的復(fù)雜理論計(jì)算問題.重點(diǎn)解決的計(jì)算技術(shù)包括：高效率的多體末態(tài)（N3）蒙特卡羅相空間積分技術(shù)；費(fèi)曼圖中不穩(wěn)定粒子的處理問題；在相空間邊界上多點(diǎn)積分函數(shù)(n5)數(shù)值計(jì)算的有效方法；紅外發(fā)散的解析處理；帶復(fù)數(shù)質(zhì)量的粒子的重整化參數(shù)和單圈積分函數(shù)的計(jì)算方法等.這些問題也一直是粒子物理現(xiàn)象學(xué)中的幾個(gè)研究重點(diǎn)和難點(diǎn)問題.在這些研究中，他們已經(jīng)在單圈圖計(jì)算中，在不穩(wěn)定粒子的計(jì)算處理方法上以及在多點(diǎn)(n5)標(biāo)量、矢量、張量積分函數(shù)的解析和數(shù)值計(jì)算上取得了進(jìn)展.該研究室自2001年以來,在國際國內(nèi)重要學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI收錄的涉及唯象理論研究的論文58篇，被引用達(dá)300余次.作出了一批為國際同行重視的研究成果.近年來該研究室取得了1997年，在國際上首先解決了四點(diǎn)積分函數(shù)在相空間邊緣發(fā)散點(diǎn)的數(shù)值計(jì)算困難1.在國際上首次解決了三體末態(tài)過程的單圈階幅射修正計(jì)算中的五點(diǎn)標(biāo)量和張量積分的計(jì)算問題，完成了關(guān)于在直線對(duì)撞機(jī)上對(duì)H|t|tYukawa耦合精確檢驗(yàn)的理論研究2.精確研究了強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上超對(duì)稱chargino/neutralino伴隨產(chǎn)生過程，以及tb-H-產(chǎn)生過程的NLO階QCD修正效應(yīng)，為LHC新物理尋找提供了理論依據(jù)3.在最小超對(duì)稱模型下對(duì)ppHbc+X味道改變過程的精確計(jì)算,首次發(fā)現(xiàn)在squark的混合機(jī)制下，超對(duì)稱QCD對(duì)Hbc耦合的修正可以使該產(chǎn)生過程的截面大大提高，這使得該過程成為發(fā)現(xiàn)帶電Higgs粒子和味道改變效應(yīng)的重要反應(yīng)道4.T宇稱守恒和不守恒情況的最小Higgstth+X過程中的新物理效應(yīng)的計(jì)算和討論5,得到了可能在LC對(duì)撞機(jī)上觀測到LH/LHT的效應(yīng)，或者給出對(duì)LH/LHT參數(shù)更嚴(yán)格的限制6.完成了四體、五體末態(tài)相空間高精度積分程序的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了不穩(wěn)定粒子處理技術(shù)，六點(diǎn)單圈標(biāo)量、矢量、張量積分函數(shù)的紅外分離及正確的數(shù)值計(jì)算方法和程序，并通過了若干正確性檢驗(yàn).在此軟件環(huán)境下完成了在帶電或中性Higgs尋找過程中，可能測量到的ttbb和e+e-W+W-bb過程的QCD輻射修正計(jì)算工作.這為Higgs粒子尋找和top物理有關(guān)理論的精確檢驗(yàn)提供了理論依據(jù)7.唯象理論組在國際上首先提出了在強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上通過超對(duì)稱標(biāo)量中微子雙輕子共振態(tài)，探測R宇稱破壞的實(shí)驗(yàn)物理分析方案，并計(jì)算了其QCD輻射修正812.該成果被Tevatron的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)合作組CDF和D0先后作為其探測雙輕子高質(zhì)量共振態(tài)的主要物理動(dòng)機(jī)和數(shù)據(jù)分析依據(jù)在發(fā)表的論文中引用.費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室FermilabToday對(duì)這一研究成果進(jìn)行了報(bào)道.該研究室對(duì)這一理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的研究，不但在唯象理論研究方面，推動(dòng)了對(duì)TeV強(qiáng)子對(duì)撞物理過程中QCDNLO效應(yīng)的精確把握,而且在實(shí)驗(yàn)物理方面，促進(jìn)中國科大D0組在徑跡探測器觸發(fā)方法研究、高亮度環(huán)境下高能電子/光子鑒別、量能器刻度等研究中做出了成果.該研究還促進(jìn)了高能數(shù)據(jù)網(wǎng)格計(jì)算節(jié)點(diǎn)建設(shè)，該室建成了中國科大D0USTC網(wǎng)格計(jì)算機(jī)群，并為D0合作組產(chǎn)生106模擬事例,為中國科大高能物理研究提供了1010以上的網(wǎng)格數(shù)據(jù)分析與處理能力，從而確保最終物理成果的獲得.這些工作得到了D0合作組以及費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的高度評(píng)價(jià).韓良教授成為D0合作組AuthorshipCommittee7人委員會(huì)成員，負(fù)責(zé)審查合作組各單位成員作者資格.劉衍文博士成為費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室首批InternationalScientistFellowship成員.第28次中美高能物理合作聯(lián)合委員會(huì)會(huì)議，確定費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)支持中國科大D0實(shí)驗(yàn)物理研究.3高能物理實(shí)驗(yàn)研究始于1973年，在楊衍明、陳宏芳教授領(lǐng)導(dǎo)下，為云南高山站宇宙線測量研制多絲正比室.之后先后參加了德國DESY的MARK|J實(shí)驗(yàn)，是CERNLEP的L3實(shí)驗(yàn)的發(fā)起單位之一.與此同時(shí)，被接受為LHC大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的CMS合作組和日本KEK的B介子工廠Belle合作組的成員.與瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETHZ）合作成立了高能物理聯(lián)合研究所.1991年正式參加中國科學(xué)院高能物理研究所BES合作組，成為國內(nèi)大學(xué)中最早投入國內(nèi)高能基地研究工作的BES成員，相繼參加了BESII的物理分析和BESIII的建造與物理工作.2001年10月又被接收為美國BNL的STAR合作組成員.31為STAR合作組研制的飛行時(shí)間探測器和相對(duì)論性重離子碰撞（RHIC）多氣隙電阻板室（MRPC）是上世紀(jì)90年代后期歐洲核子研究中心（CERN）的LHCALICE實(shí)驗(yàn)組首先發(fā)展起來的新型探測器.受國家自然科學(xué)基金委員會(huì)委托，該研究室于2000年8月率先在國內(nèi)開展MRPC研制.先后成功地研制了多種結(jié)構(gòu)的MRPC，其中6氣隙的MRPC時(shí)間分辨為60ps，對(duì)最小電離粒子的探測效率好于95，達(dá)到國際先進(jìn)水平；雙層結(jié)構(gòu)10氣隙的MRPC，時(shí)間分辨好于50ps，探測效率大于99%，達(dá)到國際領(lǐng)先水平.并成功地研制了第一個(gè)基于MRPC技術(shù)的STAR飛行時(shí)間探測器原型TOFrTray，性能指標(biāo)達(dá)到：平均時(shí)間分辨為85ps，探測效率好于90，好于設(shè)計(jì)指標(biāo).并于2002年10月裝入STAR探測器，參加了2003年度氘-金核（質(zhì)心能量為200GeV/核子）和2004年度金-金核（質(zhì)心能量為200GeV/核子及62.4GeV/核子）碰撞實(shí)驗(yàn)，有效提高了STAR探測器的粒子鑒別本領(lǐng)，對(duì)/K分辨的動(dòng)量區(qū)域由原來的0.6GeV/c擴(kuò)展到1.6GeV/c，對(duì),K/p1.0GeV/c擴(kuò)展到3GeV/c.利用MRPC-TOF的數(shù)據(jù)和時(shí)間投影室?guī)щ娏Ｗ拥碾婋x能量損失的數(shù)據(jù)發(fā)展了一種可以鑒別高動(dòng)量區(qū)介子和質(zhì)子的新技術(shù)，把STAR探測器介子和質(zhì)子的鑒別橫動(dòng)量區(qū)間擴(kuò)展到12GeV/c13.是第一個(gè)運(yùn)用MRPC技術(shù)成功運(yùn)行于大型高能核核碰撞物理實(shí)驗(yàn)的大面積飛行時(shí)間探測器，使一些原來很難開展但有重要意義的物理課題有可能進(jìn)行，并獲得了一些重要的物理結(jié)果.2006年4月，用于RHIC-STAR-TOF探測器的MRPC通過批量生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)的最后評(píng)審.MRPC生產(chǎn)穩(wěn)定，質(zhì)量越來越好，性能達(dá)到指標(biāo)要求.RICE大學(xué)還專門做了報(bào)道.圖1，2分別給出了200GeVAuAu對(duì)撞中TOF的強(qiáng)子鑒別和電子鑒別能力.利用飛行時(shí)間探測器得到的主要物理成果有：基于TOFr粒子鑒別的強(qiáng)子譜和Cronin效應(yīng)的研究14.首次得到在氘-金碰撞與質(zhì)子-質(zhì)子碰撞中重味夸克衰變的電子譜.結(jié)合低橫動(dòng)量D0粒子譜和高橫動(dòng)量單電子譜，在世界上首次給出了氘-金碰撞中雙核子質(zhì)心能量為200GeV/核子下每核子核子碰撞中粲夸克產(chǎn)生在中快度區(qū)的微分截面15.開展帶電強(qiáng)子橫動(dòng)量譜的研究.通過測量帶電強(qiáng)子（,p,p）的單舉不變產(chǎn)額譜（0.3pT12GeV/c），精確測量了粒子的核修正因子Rcp，反粒子/粒子的比率以及p/的比率等，觀察到在中橫動(dòng)量區(qū)間重子相對(duì)介子有增強(qiáng)現(xiàn)象，這可以用部分子的結(jié)合模型來解釋，而在高橫動(dòng)量區(qū)間，重子產(chǎn)額與介子產(chǎn)額有相同大小的壓低.這一現(xiàn)象揭示夸克和膠子在QGP中的能量損失可能與微擾QCD能損模型的預(yù)言不符，為高能部分子在QGP中的能量損失機(jī)制提供了全新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，有待進(jìn)一步研究16.對(duì)氘、氦|3以及它們的反粒子在中橫動(dòng)量區(qū)間的不變產(chǎn)額、橫動(dòng)量譜和橢圓流的測量和研究，首次得到了輕核的結(jié)合參數(shù)B2和B3，發(fā)現(xiàn)B2與B3具有相似的值，表明氘、氦|3以及它們的反粒子有相似的freeze|out時(shí)刻.發(fā)現(xiàn)在不同中心度對(duì)撞中，輕核的結(jié)合參數(shù)和介子的freeze|out體積成正比.發(fā)現(xiàn)氘核和反氘核的橢圓流近似服從組分夸克數(shù)的標(biāo)度不變性，在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證夸克融合模型.首次測量了低橫動(dòng)量的反氘核的負(fù)值橢圓流，這是RHIC上觀測到的第一個(gè)負(fù)值橢圓流，發(fā)現(xiàn)重粒子（氘）的負(fù)值橢圓流與大徑向流的理論模型相吻合17.開展關(guān)于重味夸克產(chǎn)生截面和粲介子D0半輕子衰變道的研究.完成了200GeV金金碰撞中D0介子以及粲粒子半輕子衰變到的電子和子的數(shù)據(jù)分析工作，首次在重離子實(shí)驗(yàn)中通過c+X道確定粲夸克(ccbar)總產(chǎn)生截面.首次在重離子碰撞實(shí)驗(yàn)中證實(shí)粲夸克截面相對(duì)于兩兩碰撞數(shù)的標(biāo)度不變性.首次利用STARTOF探測器測量粲粒子半輕子衰變的單電子譜碰撞中心度的依賴關(guān)系.首次利用STARTOF探測器觀測到單電子譜壓低，測量重味夸克能量損失.首次觀測到單電子譜的熱力學(xué)性質(zhì)與集體運(yùn)動(dòng)流效應(yīng)不同于輕強(qiáng)子18.對(duì)粲粒子及其半輕子衰變的單電子橢圓流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量和唯象理論探討.理論上給出了D介子及其單電子橢圓流，并預(yù)言底夸克粒子的集體運(yùn)動(dòng)流效應(yīng)很小19.完成了RHIC能區(qū)粲夸克產(chǎn)生截面和粲粒子半輕子衰變道的研究.2007年8月2325日在QCD相變與重離子碰撞物理國際研討會(huì)上匯報(bào)了該項(xiàng)工作.受到QuarkMatter2008會(huì)議組委會(huì)的邀請(qǐng)，于2008年2月4日10日在印度Jaipur舉行的第20屆國際超相對(duì)論核-核碰撞(夸克物質(zhì)2008)學(xué)術(shù)大會(huì)上做了題為OverviewoftheCharmProductionatRHIC的大會(huì)報(bào)告20.進(jìn)行奇異共振態(tài)強(qiáng)子KK的不變質(zhì)量的重建研究.利用STAR實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過僅用TPC信息和聯(lián)合TPCTOFr信息（即要求其中的一條帶電徑跡由TOFr所識(shí)別）的比較研究，進(jìn)一步證明了，結(jié)合TOFr和TPC信息可以實(shí)現(xiàn)對(duì)帶電徑跡的高精度鑒別，從而大大提高對(duì)奇異共振態(tài)強(qiáng)子不變質(zhì)量重建的分辨率.完成了200GeV金金碰撞中奇異強(qiáng)子橢圓流的中心度依賴性研究，系統(tǒng)測量了KS0,粒子的v2（橢圓流）.結(jié)果表明，在低橫動(dòng)量區(qū)，這些強(qiáng)子的v2符合流體力學(xué)的預(yù)言，表明早期熱化可能在RHIC形成.在中間橫動(dòng)量區(qū)，v2符合組分夸克數(shù)標(biāo)度性，表明重組合是強(qiáng)子形成可能的機(jī)