中微子質(zhì)量宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱(PPT課件)

1、中微子質(zhì)量中微子質(zhì)量與與宇宙的物質(zhì)宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱反物質(zhì)不對稱 邢志忠（高能所）邢志忠（高能所） 中微子之父中微子之父中微子理論之父中微子理論之父W. Pauli (1930): 概念提出概念提出E. Fermi (1933): Beta衰變理論衰變理論E. Majorana (1937): 中微子的反粒子即其自身中微子的反粒子即其自身中微子振蕩之父中微子振蕩之父B. Pontecorvo (1957): 電子電子反電子中微子振蕩反電子中微子振蕩S. Sakata 等人等人 (1962): 電子電子Muon中微子振蕩中微子振蕩中微子新貴中微子新貴New Prizeis HopefulR

2、. Davis:太陽中微子太陽中微子失蹤探測失蹤探測M. Koshiba:超新星超新星1987中微子探測中微子探測輕子譜與諾貝爾獎輕子譜與諾貝爾獎 eJ.J. Thomson 1897J.J. Thomson 1906 獲獎獲獎C.L. Cowan等等 1956F.J. Reines 1995 獲獎獲獎 J.C. Street等等C.D. Anderson等等 1936G. Danby等等 1962M. Schwartz, L.M. Lederman, J. Steinberger 1988 獲獎獲獎 M.L. Perl等等 1975M.L. Perl 1995 獲獎獲獎K. Kodama等等

3、 2000e (正電子正電子: 理論預(yù)言理論預(yù)言P.A.M. Dirac 1928; 實驗發(fā)現(xiàn)實驗發(fā)現(xiàn)C.D. Anderson 1932; 獲獎獲獎 1936)花絮花絮: 帶電輕子的帶電輕子的Sarma-邢邢“定理定理”我本人的貢獻我本人的貢獻: 將將2114更正為更正為2014，時間縮短了，時間縮短了100年！年！1995年底印度物理學(xué)家年底印度物理學(xué)家SarmaSarma率先發(fā)現(xiàn)了率先發(fā)現(xiàn)了“39-year gap”:實驗突破與后果實驗突破與后果K2K加速器加速器Muon中微子長基線振蕩實驗（中微子長基線振蕩實驗（E1.3 GeV,L250 km）。參數(shù)空間與）。參數(shù)空間與Super-K

4、的結(jié)果吻合。的結(jié)果吻合。(02)突破之一突破之一: 大氣中微子大氣中微子(Super-K1998)大氣大氣Muon中微子失蹤，中微子失蹤，主要轉(zhuǎn)化成主要轉(zhuǎn)化成Tau中微子。中微子。模型無關(guān)的間接證據(jù)與模型無關(guān)的間接證據(jù)與直接信號（見下圖）。直接信號（見下圖）。天然天然中微子振蕩得到中微子振蕩得到人人工工中微子振蕩的支持。中微子振蕩的支持。C. Sagi/ICHEP04C. Sagi/ICHEP04太陽電子中微子失蹤，主要轉(zhuǎn)化為太陽電子中微子失蹤，主要轉(zhuǎn)化為Muon中微子中微子 。與標準太陽模型無關(guān)的證據(jù)令人信服（見下圖）。與標準太陽模型無關(guān)的證據(jù)令人信服（見下圖）。天然天然中微子振蕩得到中微子

5、振蕩得到人工人工中微子振蕩支持中微子振蕩支持: KamLAND反反應(yīng)堆應(yīng)堆反反電子中微子振蕩實驗（電子中微子振蕩實驗（E5 MeV, L180 km）。）。參數(shù)空間與參數(shù)空間與SNO的結(jié)果吻合。的結(jié)果吻合。(02)突破之二突破之二: 太陽中微子太陽中微子(SNO2001)H.Deng/ICHEP04標準太陽模型標準太陽模型(SSM) 得到得到SNO強有力的支持強有力的支持, 至關(guān)重要至關(guān)重要.中性流中性流零零點點你相信中微子振蕩現(xiàn)象的存在嗎？你相信中微子振蕩現(xiàn)象的存在嗎？不同的中微子源不同的中微子源不同的中微子種類不同的中微子種類不同的中微子束能量不同的中微子束能量不同的中微子傳播距離不同的中

6、微子傳播距離不同的與模型無關(guān)的證據(jù)不同的與模型無關(guān)的證據(jù) 不需要假設(shè)不需要假設(shè)Exotic新物理新物理不需要破壞基本對稱性不需要破壞基本對稱性不需要更改太陽模型不需要更改太陽模型不需要引入新粒子不需要引入新粒子不需要微調(diào)參數(shù)不需要微調(diào)參數(shù)中微子振蕩中微子振蕩只要三代中微子存在靜止（非簡并）質(zhì)量只要三代中微子存在靜止（非簡并）質(zhì)量中微子振蕩中微子振蕩唯一有堅實的實驗證據(jù)的超出標準模型的唯一有堅實的實驗證據(jù)的超出標準模型的 新物理新物理( (但不影響它迄今已被證實的部分但不影響它迄今已被證實的部分) )中微子再次成為主流前沿熱點之一中微子再次成為主流前沿熱點之一在美國斯坦福大學(xué)高能物理數(shù)據(jù)庫在美國

7、斯坦福大學(xué)高能物理數(shù)據(jù)庫SLAC-SPIRES鍵入鍵入“Find Title Neutrinos and Date *”得到以上結(jié)得到以上結(jié)果果 0 020020040040060060080080010001000120012001400140019971997199919992001200120032003論文數(shù)目論文數(shù)目中微子理論中微子理論: 大師大師Witten如是說如是說普遍問題普遍問題費米子質(zhì)量起源費米子質(zhì)量起源 E. WittenOpening Talk at Neutrino 02 (hep-ph/0006332) 哲學(xué)家哲學(xué)家M. Jammer強調(diào)強調(diào)(1997): “ th

8、e concept of mass entangled with serious uncertainties & perplexing difficulties”近年來中微子唯象學(xué)綜述文章選摘近年來中微子唯象學(xué)綜述文章選摘(1)中微子振蕩：中微子振蕩： S.M. Bilenky, C. Giunti, W. Grimus, Prog. Part. Nucl. Phys. 43 (1999) 1-86 中微子絕對質(zhì)量：中微子絕對質(zhì)量： S.M. Bilenky et al, Phys. Rept. 379 (2003) 69148中微子模型構(gòu)造：中微子模型構(gòu)造： H. Fritzsch,

9、 Z.Z. Xing, Prog. Part. Nucl. Phys. 45 (2000) 1-81 R.N. Mohapatra, ICTP Lectures, hep-ph/0211252 (2002)G. Altarelli, F. Feruglio, New J. Phys. 6 (2004) 106S.F. King, Rept. Prog. Phys. 67 (2004) 107-158近年來中微子唯象學(xué)綜述文章選摘近年來中微子唯象學(xué)綜述文章選摘(2)中微子一般唯象學(xué)：中微子一般唯象學(xué)： M. Gonzalez-Garcia, Y. Nir, Rev. Mod. Phys. 75

10、(2003) 345-402V. Barger, D. Marfatia, K. Whisnant, Int. J. Mod. Phys. E 12 (2003) 569647Z.Z. Xing, Int. J. Mod. Phys. A 19 (2004) 1-79R.N. Mohapatra et al, hep-ph/0412099 (2004)Leptogenesis機制：機制： W. Buchmuller, M. Plumacher, Int. J. Mod. Phys. A 15 (2000) 50475086G.F. Giudice et al, Nucl. Phys. B 68

11、5 (2004) 89-149A. Pilaftsis, T.J. Underwood, Nucl. Phys. B 692 (2004) 303-345質(zhì)量譜與味混合質(zhì)量譜與味混合中微子質(zhì)量譜與輕子味混合參數(shù)中微子質(zhì)量譜與輕子味混合參數(shù)輕子味結(jié)構(gòu)含輕子味結(jié)構(gòu)含12個參數(shù)個參數(shù): 帶電輕子質(zhì)量帶電輕子質(zhì)量3個個 中微子質(zhì)量中微子質(zhì)量3個個 味混合角味混合角3個個 CP破壞位相破壞位相3個個混合矩陣混合矩陣( (MNS矩陣矩陣Dirac位相位相 ；Majorana位相位相 與與 ) ):中微子振蕩存活幾率中微子振蕩存活幾率( )( ):確定中微子質(zhì)量確定中微子質(zhì)量平方差和混合角平方差和混合角中微

12、子振蕩實驗數(shù)據(jù)的中微子振蕩實驗數(shù)據(jù)的Global Fit M. Maltoni等等,hep-ph/0405172中微子質(zhì)量中微子質(zhì)量Hierarchy與味混合組分與味混合組分宇宙學(xué)限制宇宙學(xué)限制(U. Seljak等等: astro-ph/0407372)：m_i 0.14 eV 來自來自m_1 + m_2 + m_3 0.42 eV (95% C.L.)。 Smirnov Plot最重的中微子最重的中微子質(zhì)量必大于或質(zhì)量必大于或等于等于0.05 eV;最輕的中微子最輕的中微子質(zhì)量可以為零質(zhì)量可以為零費米子質(zhì)量譜費米子質(zhì)量譜難以想象的統(tǒng)一之夢難以想象的統(tǒng)一之夢該圖假設(shè)了中微子質(zhì)量該圖假設(shè)了中微

13、子質(zhì)量“Normal Hierarchy”(m_1m_2 0，直到今天。，直到今天。 無極生太極無極生太極: B 0 來自來自B = 0 的初態(tài)經(jīng)過演化而產(chǎn)生。的初態(tài)經(jīng)過演化而產(chǎn)生。 如今如今: 參考點參考點 t=1.2 1010y, 宇宙溫度宇宙溫度 T 2.7 K。 （BBN與與WMAP結(jié)果相一致）結(jié)果相一致）重子產(chǎn)生的重子產(chǎn)生的Sakharov條件條件基于基于Big Bang(Gamov 1946)的的Sakharov重子產(chǎn)生條件重子產(chǎn)生條件(1967): B 不守恒；不守恒； C 和和 CP 不守恒；不守恒； 偏離熱平衡。偏離熱平衡。Baryogenesis機制機制: Planck/G

14、UT Baryogenesis; Electroweak Baryogenesis; Leptogenesis; Affleck-Dine Mechanism; (1975年獲和平獎年獲和平獎)前蘇聯(lián)氫彈之父前蘇聯(lián)氫彈之父 引入右手中微子引入右手中微子Ni ，Seesaw機制壓低左手中微子質(zhì)量；機制壓低左手中微子質(zhì)量；h.c.21RRcRRLRLYvMvvYleYlLvl 重的重的Ni 衰變，樹圖與圈圖振幅相干產(chǎn)生衰變，樹圖與圈圖振幅相干產(chǎn)生CP破壞破壞i ；lNicilNvs 偏離熱平衡，偏離熱平衡，CP不對稱不對稱i 導(dǎo)致輕子數(shù)不對稱導(dǎo)致輕子數(shù)不對稱YL ；*LLL)(gdsnnYi(g*

15、相對論性自由度，相對論性自由度，d 沖淡因子沖淡因子) 輕子數(shù)不對稱輕子數(shù)不對稱YL 通過弱電反常過程轉(zhuǎn)化為重子數(shù)不對稱通過弱電反常過程轉(zhuǎn)化為重子數(shù)不對稱YB 。LBBB)(cYsnnY(c 0.35)Leptogenesis機制的基本思想機制的基本思想(輕子數(shù)破壞輕子數(shù)破壞Majorana)Fukugita & Yanagida (1986):(見下圖見下圖)對對CP破壞有主要貢獻的衰變圖破壞有主要貢獻的衰變圖前蘇聯(lián)氫彈之父前蘇聯(lián)氫彈之父前蘇聯(lián)氫彈之父前蘇聯(lián)氫彈之父L高能與低能高能與低能CP破壞現(xiàn)象有聯(lián)系嗎？破壞現(xiàn)象有聯(lián)系嗎？(1)兩類可靠的超出標準模兩類可靠的超出標準模型的新物理可

16、以在一個型的新物理可以在一個簡單的圖像內(nèi)得到解釋簡單的圖像內(nèi)得到解釋 一箭雙雕一箭雙雕前蘇聯(lián)氫彈之父前蘇聯(lián)氫彈之父宇宙的物質(zhì)宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱反物質(zhì)不對稱(觀測觀測)太陽與大氣中微子振蕩太陽與大氣中微子振蕩(實驗實驗)Seesaw機制機制Seesaw 機制本身將高機制本身將高能標物理與低能標物理能標物理與低能標物理通過中間能標聯(lián)系起來通過中間能標聯(lián)系起來 四兩撥千斤四兩撥千斤高能與低能高能與低能CP破壞現(xiàn)象有聯(lián)系嗎？破壞現(xiàn)象有聯(lián)系嗎？(2)前蘇聯(lián)氫彈之父前蘇聯(lián)氫彈之父,DiagmmmUMUelll,Diag321*mmmUMUvvv321RRRDiagM,M,MUMU*TD1RDMMMM

17、v輕子味混合矩陣輕子味混合矩陣vlUUV包含包含MR與與MD的若干信息。而的若干信息。而Ni 衰變產(chǎn)生的衰變產(chǎn)生的CP破壞效應(yīng)破壞效應(yīng)(假假設(shè)設(shè)M1M2M3 , 只有只有1 保存保存下來下來)表達為下式表達為下式:3221*RDDTR11*RDDTR121)Im(163jjjMUMMUUMMUM評述評述: 重的右手中微子衰變中的重的右手中微子衰變中的CP破壞效應(yīng)破壞效應(yīng)(1 )與中微子振蕩及與中微子振蕩及其其CP破壞效應(yīng)破壞效應(yīng)(V)通過通過 Seesaw 公式存在聯(lián)系公式存在聯(lián)系, 但這種聯(lián)系一般并但這種聯(lián)系一般并不直接不直接. 在特定的模型里在特定的模型里, 兩者可以有直接的關(guān)聯(lián)兩者可以有

18、直接的關(guān)聯(lián).困難困難: 我們對輕子味結(jié)構(gòu)一無所知我們對輕子味結(jié)構(gòu)一無所知.Leptogenesis機制可以被驗證嗎機制可以被驗證嗎?三段論三段論:一般來說，一個機制可以被證偽，但無法被證實；只有一個一般來說，一個機制可以被證偽，但無法被證實；只有一個完整理論才具備被各種事實從各個方面驗證的功能。完整理論才具備被各種事實從各個方面驗證的功能。Leptogenesis機制本身不是一個理論。機制本身不是一個理論。所以無法證明或者肯定它們是否正確，除非所以無法證明或者肯定它們是否正確，除非(基本理論基本理論)考古學(xué)的困惑考古學(xué)的困惑:如果發(fā)現(xiàn)中微子的確是如果發(fā)現(xiàn)中微子的確是Majorana粒子粒子 (輕子數(shù)破壞輕子數(shù)破壞)；如果觀測到了輕子如果觀測到了輕子CP破壞效應(yīng)；破壞效應(yīng)；如果其他如果其他Baryogenesis機制都被排除或失去了自然性；機制都被排除或失去了自然性；或許可以推測或許可以推測Leptogenesis也許是宇宙的物質(zhì)也許是宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱反物質(zhì)不對稱現(xiàn)象的正確解釋現(xiàn)象的正確解釋 (當然，味物理倘若發(fā)生了革命性進展，當然，味物理倘若發(fā)生了革命性進展，.)。 問題與展望問題與展望 Leibni