揭示自然界的對(duì)稱性和物理規(guī)律

1、對(duì)稱原理與物理規(guī)律對(duì)稱原理與物理規(guī)律l自然界中的對(duì)稱性自然界中的對(duì)稱性l物理學(xué)中的對(duì)稱性物理學(xué)中的對(duì)稱性l粒子物理中的對(duì)稱性粒子物理中的對(duì)稱性CPCP對(duì)稱性和對(duì)稱性和CPCP破壞破壞l研究研究CPCP破壞的重要性和科學(xué)意義破壞的重要性和科學(xué)意義l重要的科學(xué)問題、理論預(yù)言和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證重要的科學(xué)問題、理論預(yù)言和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證lCP破壞位相的起源破壞位相的起源 、新的物理唯象、新的物理唯象粒子物理和宇宙學(xué)粒子物理和宇宙學(xué)l 粒子物理和宇宙學(xué)面臨的挑戰(zhàn)粒子物理和宇宙學(xué)面臨的挑戰(zhàn)l實(shí)驗(yàn)上的挑戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)上的挑戰(zhàn) （LHC，BEPCII/CLEOC, Planck，)對(duì)稱原理和統(tǒng)一理論對(duì)稱原理和統(tǒng)一理論l 最大對(duì)稱化的

2、最小統(tǒng)一模型最大對(duì)稱化的最小統(tǒng)一模型(MSMUM)l 自然界最基本問題的探討自然界最基本問題的探討 總論和展望、統(tǒng)一和呈展總論和展望、統(tǒng)一和呈展l愛因斯坦和愛因斯坦和統(tǒng)一場論的探索統(tǒng)一場論的探索 楊振寧教授：楊振寧教授：“二十世紀(jì)物理學(xué)的二十世紀(jì)物理學(xué)的 主旋律是：量子化、對(duì)稱性和相因子主旋律是：量子化、對(duì)稱性和相因子” 李政道教授李政道教授: :“二十一世紀(jì)物理學(xué)的二十一世紀(jì)物理學(xué)的 挑戰(zhàn)是：夸克禁閉，對(duì)稱和對(duì)稱破缺挑戰(zhàn)是：夸克禁閉，對(duì)稱和對(duì)稱破缺” 周光召教授周光召教授: : “對(duì)稱性和對(duì)稱破缺是世對(duì)稱性和對(duì)稱破缺是世界統(tǒng)一性和多樣性的根源界統(tǒng)一性和多樣性的根源 ” 自然界充滿了各種對(duì)稱性

3、自然界充滿了各種對(duì)稱性 例如：許多動(dòng)物的例如：許多動(dòng)物的左右對(duì)稱性、太陽的轉(zhuǎn)動(dòng)左右對(duì)稱性、太陽的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱性、海星的五重對(duì)稱對(duì)稱性、海星的五重對(duì)稱性、雪花的六重對(duì)稱性、性、雪花的六重對(duì)稱性、 在生命起源過程中，在生命起源過程中， 左右鏡像對(duì)稱破缺左右鏡像對(duì)稱破缺.l對(duì)稱性是指一個(gè)系統(tǒng)的一組不變性對(duì)稱性是指一個(gè)系統(tǒng)的一組不變性 (The set of invariances of a system) l數(shù)學(xué)上，利用群論來研究對(duì)稱性。數(shù)學(xué)上，利用群論來研究對(duì)稱性。l自然界的許多對(duì)稱性本身就是物理的，例如分子自然界的許多對(duì)稱性本身就是物理的，例如分子的轉(zhuǎn)動(dòng)與反射、晶格的平移。的轉(zhuǎn)動(dòng)與反射、晶格的平移。

4、l對(duì)稱性可以是分離的（具有有限的數(shù)目）對(duì)稱性可以是分離的（具有有限的數(shù)目） 例如：八面體分子的轉(zhuǎn)動(dòng)，例如：八面體分子的轉(zhuǎn)動(dòng)， 也可以是連續(xù)的（具有無限的數(shù)目）也可以是連續(xù)的（具有無限的數(shù)目） 例如例如: 原子或核子的轉(zhuǎn)動(dòng)。原子或核子的轉(zhuǎn)動(dòng)。l對(duì)稱性可以是更一般的和抽象的，例如：對(duì)稱性可以是更一般的和抽象的，例如：CPT不不變性（變性（ 粒子粒子-反粒子變換、左右鏡像變換和時(shí)間反粒子變換、左右鏡像變換和時(shí)間反演對(duì)稱性），以及與規(guī)范理論相關(guān)的對(duì)稱性反演對(duì)稱性），以及與規(guī)范理論相關(guān)的對(duì)稱性 l 物理學(xué)的重要任務(wù)之一物理學(xué)的重要任務(wù)之一： 揭示宇宙世界所具有的各種類型的對(duì)稱性揭示宇宙世界所具有的各種類

5、型的對(duì)稱性l對(duì)稱性的分類：對(duì)稱性的分類：l空間對(duì)稱性：空間對(duì)稱性： 對(duì)空間性質(zhì)進(jìn)行變換所對(duì)應(yīng)的對(duì)稱性對(duì)空間性質(zhì)進(jìn)行變換所對(duì)應(yīng)的對(duì)稱性l時(shí)間對(duì)稱性時(shí)間對(duì)稱性： 對(duì)時(shí)間性質(zhì)進(jìn)行變換所對(duì)應(yīng)的對(duì)稱性對(duì)時(shí)間性質(zhì)進(jìn)行變換所對(duì)應(yīng)的對(duì)稱性l內(nèi)部對(duì)稱性內(nèi)部對(duì)稱性：與時(shí)間和空間相獨(dú)立的變換所體現(xiàn)的：與時(shí)間和空間相獨(dú)立的變換所體現(xiàn)的 對(duì)稱性對(duì)稱性 l內(nèi)部對(duì)稱性：內(nèi)部對(duì)稱性：整體對(duì)稱性和局域?qū)ΨQ性整體對(duì)稱性和局域?qū)ΨQ性l對(duì)稱性破缺是指：一個(gè)多體系統(tǒng)的基態(tài)或?qū)ΨQ性破缺是指：一個(gè)多體系統(tǒng)的基態(tài)或相對(duì)論量子場論的真空態(tài)所具有的對(duì)稱性相對(duì)論量子場論的真空態(tài)所具有的對(duì)稱性比定義這個(gè)體系的拉格朗日量或哈密頓量比定義這個(gè)體系的拉格

6、朗日量或哈密頓量所具有的對(duì)稱性小的情形。所具有的對(duì)稱性小的情形。l在固體物理中，抗鐵磁性和超導(dǎo)就是例子在固體物理中，抗鐵磁性和超導(dǎo)就是例子l在粒子物理中，電弱統(tǒng)一模型是相對(duì)論量在粒子物理中，電弱統(tǒng)一模型是相對(duì)論量子場論中對(duì)稱性破缺的重要例子子場論中對(duì)稱性破缺的重要例子l與對(duì)稱性破缺相關(guān)的一個(gè)結(jié)論是與對(duì)稱性破缺相關(guān)的一個(gè)結(jié)論是Goldstone 定理：它是指在定理：它是指在具有連續(xù)對(duì)稱性破缺的相對(duì)論量子場論中必然存在無質(zhì)量具有連續(xù)對(duì)稱性破缺的相對(duì)論量子場論中必然存在無質(zhì)量的粒子的粒子Goldstone玻色子。玻色子。l在固體理論中，在固體理論中，Goldstone玻色子是集團(tuán)激發(fā)。玻色子是集團(tuán)激

7、發(fā)。l規(guī)范對(duì)稱性的破缺是規(guī)范對(duì)稱性的破缺是Goldstone 定理的一個(gè)例外，定理的一個(gè)例外， 例如：電弱統(tǒng)一模型中的例如：電弱統(tǒng)一模型中的Goldstone玻色子成為有質(zhì)量的玻玻色子成為有質(zhì)量的玻色子，即：色子，即：Higgs玻色子。玻色子。l在多體理論中，長程力也給出一個(gè)類似的不同于在多體理論中，長程力也給出一個(gè)類似的不同于Goldstone 定理的例子，定理的例子，Higgs玻色子是一個(gè)非零能隙的激發(fā)。玻色子是一個(gè)非零能隙的激發(fā)。lGoldstone定理當(dāng)時(shí)是在定理當(dāng)時(shí)是在Gell-MannLevy、周光召、周光召1960年年 提出提出 PCAC（軸矢量流部分守恒）后，對(duì)贗標(biāo)量（軸矢量流

8、部分守恒）后，對(duì)贗標(biāo)量 介子的介子的 特殊性質(zhì)研究中，特殊性質(zhì)研究中， 于于1961年提出的一個(gè)重要定理年提出的一個(gè)重要定理Elementary Particle Physics基本粒子物理基本粒子物理QuantumMechanics量子力學(xué)量子力學(xué)SpecialRelativity相對(duì)論相對(duì)論+=tHooft+l在粒子物理學(xué)中，可以說，在粒子物理學(xué)中，可以說，對(duì)稱性決定了相互作用對(duì)稱性決定了相互作用l愛因斯坦的狹義相對(duì)論愛因斯坦的狹義相對(duì)論：由：由Poincare群群結(jié)構(gòu)所決定的結(jié)構(gòu)所決定的 描述時(shí)間與空間對(duì)稱性的理論。時(shí)間延緩與描述時(shí)間與空間對(duì)稱性的理論。時(shí)間延緩與 長度收縮可以由對(duì)稱性和

9、四維不變量來理解長度收縮可以由對(duì)稱性和四維不變量來理解 l粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型：粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型：四種基本力由規(guī)范對(duì)稱性決定四種基本力由規(guī)范對(duì)稱性決定l U(1) x SU(2) x SU(3) x SO(1,3) 確定了對(duì)稱群與相互作用的強(qiáng)度以后，確定了對(duì)稱群與相互作用的強(qiáng)度以后， 力的所有的行為特征基本就確定了。力的所有的行為特征基本就確定了。l電磁相互作用：電磁相互作用：U(1)對(duì)稱性決定的規(guī)范理論對(duì)稱性決定的規(guī)范理論.U(1)對(duì)稱對(duì)稱 性可想象為一個(gè)在平面上轉(zhuǎn)動(dòng)的圓的對(duì)稱性性可想象為一個(gè)在平面上轉(zhuǎn)動(dòng)的圓的對(duì)稱性l對(duì)稱性導(dǎo)致守恒律對(duì)稱性導(dǎo)致守恒律 如：為何過去和現(xiàn)在事物運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是相同如：為

10、何過去和現(xiàn)在事物運(yùn)動(dòng)的規(guī)律是相同的，那是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)規(guī)律在時(shí)間平移的變動(dòng)中的，那是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)規(guī)律在時(shí)間平移的變動(dòng)中能夠保持不變，也就是它具有時(shí)間平移的對(duì)能夠保持不變，也就是它具有時(shí)間平移的對(duì)稱性。稱性。時(shí)間平移對(duì)稱性導(dǎo)致能量守恒定律時(shí)間平移對(duì)稱性導(dǎo)致能量守恒定律。l守恒定律在物理中占有非常重要的位置守恒定律在物理中占有非常重要的位置很長時(shí)間內(nèi)物理學(xué)家認(rèn)為對(duì)稱性和守恒定律是很長時(shí)間內(nèi)物理學(xué)家認(rèn)為對(duì)稱性和守恒定律是最美的，也是絕對(duì)的，不會(huì)受到破壞。自然界最美的，也是絕對(duì)的，不會(huì)受到破壞。自然界出現(xiàn)的非對(duì)稱現(xiàn)象不反應(yīng)事物運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律出現(xiàn)的非對(duì)稱現(xiàn)象不反應(yīng)事物運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律l根據(jù)對(duì)稱原理，構(gòu)造具有更大對(duì)稱

11、性的根據(jù)對(duì)稱原理，構(gòu)造具有更大對(duì)稱性的統(tǒng)一理論統(tǒng)一理論 ： SU(5)、SO(10)、l最近理論研究發(fā)現(xiàn)，世界的基本結(jié)構(gòu)和最近理論研究發(fā)現(xiàn)，世界的基本結(jié)構(gòu)和相互作用可能都來源于某種高維時(shí)空的相互作用可能都來源于某種高維時(shí)空的局域?qū)ΨQ性局域?qū)ΨQ性左右鏡向?qū)ΨQ（宇稱）破壞左右鏡向?qū)ΨQ（宇稱）破壞： 1956年，李政道和楊振寧發(fā)現(xiàn)在微觀世界中，左右鏡向?qū)ΨQ年，李政道和楊振寧發(fā)現(xiàn)在微觀世界中，左右鏡向?qū)ΨQ遭到弱相互作用的破壞，科學(xué)界才認(rèn)識(shí)到，一些基本規(guī)律在遭到弱相互作用的破壞，科學(xué)界才認(rèn)識(shí)到，一些基本規(guī)律在一定條件下也存在對(duì)稱破缺。一定條件下也存在對(duì)稱破缺。弱相互作用弱相互作用 的的SU(2)_L 對(duì)

12、稱性自發(fā)破缺：對(duì)稱性自發(fā)破缺： 粒子物理弱電統(tǒng)一模型中，中間玻色子、夸克和輕子質(zhì)量的粒子物理弱電統(tǒng)一模型中，中間玻色子、夸克和輕子質(zhì)量的起源、夸克之間混合的起源；沒有對(duì)稱破缺，宇宙到處充滿起源、夸克之間混合的起源；沒有對(duì)稱破缺，宇宙到處充滿了無質(zhì)量的以光速運(yùn)動(dòng)的粒子。世界會(huì)變得很單調(diào)。了無質(zhì)量的以光速運(yùn)動(dòng)的粒子。世界會(huì)變得很單調(diào)。 面臨的挑戰(zhàn)之一：面臨的挑戰(zhàn)之一： 但模型預(yù)言的但模型預(yù)言的Higgs粒子還沒有找到，對(duì)稱破缺機(jī)制并沒有得粒子還沒有找到，對(duì)稱破缺機(jī)制并沒有得到驗(yàn)證，成為粒子物理研究的重要方向。歐洲日內(nèi)瓦建造到驗(yàn)證，成為粒子物理研究的重要方向。歐洲日內(nèi)瓦建造LHC對(duì)撞機(jī)的主要目的之一

13、。對(duì)撞機(jī)的主要目的之一。Y.B. Dai and Y-L. Wu, Euro. Phys. J. C 39 s1 (2004)強(qiáng)相互作用中強(qiáng)相互作用中 近似整體對(duì)稱性近似整體對(duì)稱性SU(3)_L x SU(3)_R：上夸克質(zhì)量上夸克質(zhì)量 （up-quark) m_u 5 MeV 下夸克質(zhì)量下夸克質(zhì)量 (down-quark) m_d 7 MeV質(zhì)子質(zhì)量質(zhì)子質(zhì)量 (p uud ) : m_p 980 MeV 2m_u + m_d 17 MeV中子質(zhì)量中子質(zhì)量 (n udd )： m_n 980 MeV m_u + 2m_d 19 MeV動(dòng)力學(xué)自發(fā)破缺：夸克凝聚動(dòng)力學(xué)自發(fā)破缺：夸克凝聚動(dòng)力學(xué)夸克質(zhì)

14、量：動(dòng)力學(xué)夸克質(zhì)量： m_u m_d m_q 320 MeV m_p m_n 3 m_q 980 MeV CP 對(duì)稱性即：正粒子對(duì)稱性即：正粒子反粒子、左右鏡像反反粒子、左右鏡像反演的對(duì)稱性演的對(duì)稱性, ,它涉及到空它涉及到空間和物質(zhì)的基本對(duì)稱性間和物質(zhì)的基本對(duì)稱性 CP 對(duì)稱性和破缺對(duì)稱性和破缺一直是一直是粒子物理學(xué)家探索自然粒子物理學(xué)家探索自然界基本規(guī)律的前沿領(lǐng)域界基本規(guī)律的前沿領(lǐng)域反粒子反粒子粒子粒子 右手性右手性左手性左手性 通過通過CPCP變換相互轉(zhuǎn)換變換相互轉(zhuǎn)換 正反粒子和左右鏡像正反粒子和左右鏡像 19571957年，李政道楊振寧發(fā)現(xiàn)年，李政道楊振寧發(fā)現(xiàn)中性中性 K0 介子衰變的

15、弱相介子衰變的弱相互作用的互作用的宇稱宇稱(P)(P)反演反演對(duì)稱性破壞對(duì)稱性破壞，獲，獲諾貝爾諾貝爾物理獎(jiǎng)物理獎(jiǎng) 這樣的間接這樣的間接CP 破壞既可以由破壞既可以由弱相互作用引起，弱相互作用引起，也可由也可由 新的超弱相互作用新的超弱相互作用 ( (super weak interaction）引起。）引起。 1964 年年, ,Cronin 和和Fitch 由于發(fā)現(xiàn)了由于發(fā)現(xiàn)了CP（正粒子反正粒子反 粒子、左右鏡像反演的聯(lián)合對(duì)稱性）破壞，而榮獲粒子、左右鏡像反演的聯(lián)合對(duì)稱性）破壞，而榮獲 1980年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。 而而Cronin 和和Fitch所發(fā)現(xiàn)的所發(fā)現(xiàn)的 CP

16、破壞是由中性破壞是由中性 K0 介子和它的反粒子之間的混合所介子和它的反粒子之間的混合所 引起的，通常被稱為引起的，通常被稱為間接間接CP 破壞破壞 （用（用描述）描述）大爆炸大爆炸物質(zhì)物質(zhì) 反物質(zhì)反物質(zhì) 為何當(dāng)今的世界只有物質(zhì)？為何當(dāng)今的世界只有物質(zhì)？CP CP 對(duì)稱原理要求對(duì)稱原理要求 物質(zhì)數(shù)量物質(zhì)數(shù)量 = = 反物質(zhì)數(shù)量反物質(zhì)數(shù)量表明表明CPCP對(duì)稱在大爆炸過程中破缺對(duì)稱在大爆炸過程中破缺 不同的夸克和輕子用不同的夸克和輕子用“味味”量子數(shù)量子數(shù)來描述，由六味夸克來描述，由六味夸克和六味輕子作為物質(zhì)的基本組元而建立的和六味輕子作為物質(zhì)的基本組元而建立的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型型被稱

17、為二十世紀(jì)理論物理最重要的成就之一。被稱為二十世紀(jì)理論物理最重要的成就之一。但模型中但模型中的的CP破壞破壞是人為地放進(jìn)去的是人為地放進(jìn)去的，它的起源并不清楚。，它的起源并不清楚。 怎樣才能區(qū)分怎樣才能區(qū)分CP破壞是由破壞是由弱相互作用還是由第五種超弱弱相互作用還是由第五種超弱 相互作用引起，成為粒子物理研究的重大課題相互作用引起，成為粒子物理研究的重大課題 CP破壞作為解釋宇宙中物質(zhì)破壞作為解釋宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱的一個(gè)必要反物質(zhì)不對(duì)稱的一個(gè)必要 條件條件, , 但研究發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)模型中的但研究發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)模型中的CPCP破壞不足以解釋宇破壞不足以解釋宇 宙中觀察到的物質(zhì)宙中觀察到的物質(zhì)-

18、-反物質(zhì)不對(duì)稱，需要新的反物質(zhì)不對(duì)稱，需要新的CPCP源。源。 這這使得使得CPCP破壞一直成為粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中沒有解決的謎破壞一直成為粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中沒有解決的謎 成為粒子物理最重要的前沿研究方向成為粒子物理最重要的前沿研究方向 檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型中的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型中的CP破壞破壞 理解理解CP破壞的起源和機(jī)制破壞的起源和機(jī)制 尋找尋找CP破壞的新的源破壞的新的源 擴(kuò)展粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型、探討新的味物理擴(kuò)展粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型、探討新的味物理 精確地計(jì)算物理過程中涉及到的基本理論參數(shù)精確地計(jì)算物理過程中涉及到的基本理論參數(shù), 發(fā)展發(fā)展 能處理量子色動(dòng)力學(xué)（能處理量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）非微擾效應(yīng)的新方法

19、）非微擾效應(yīng)的新方法 為區(qū)分弱相互作用與第五種超弱相互作用，必須測(cè)量由衰變?yōu)閰^(qū)分弱相互作用與第五種超弱相互作用，必須測(cè)量由衰變振幅引起的振幅引起的直接直接CP 破壞，破壞，用比值用比值/來描述，在超弱相互作來描述，在超弱相互作用模型中用模型中/0， 而在弱相互作用模型中而在弱相互作用模型中/ 0。 測(cè)量和計(jì)算這個(gè)比值測(cè)量和計(jì)算這個(gè)比值/不僅對(duì)研究不僅對(duì)研究直接直接CP 破壞破壞有著重要意有著重要意義，而且它對(duì)探索自然界義，而且它對(duì)探索自然界新的作用力和理論，新的作用力和理論，以及以及CP 破壞破壞的起源的起源起著關(guān)鍵性的作用。起著關(guān)鍵性的作用。 從從1964年后，實(shí)驗(yàn)和理論物理學(xué)家開始致力于對(duì)

20、年后，實(shí)驗(yàn)和理論物理學(xué)家開始致力于對(duì)直直 接接CP 破壞破壞進(jìn)行研究。在歐洲和美國專門建立了進(jìn)行研究。在歐洲和美國專門建立了兩個(gè)兩個(gè)K-介子工廠介子工廠 (歐洲日內(nèi)瓦核子中心歐洲日內(nèi)瓦核子中心, 美國費(fèi)美國費(fèi) 米國家實(shí)驗(yàn)室，米國家實(shí)驗(yàn)室， 為提高精為提高精 度，從九十年代初，兩個(gè)度，從九十年代初，兩個(gè)K-介子工廠還都進(jìn)行過一次新的介子工廠還都進(jìn)行過一次新的 徹底的改造）徹底的改造） 在粒子物理發(fā)展史上，很少為探測(cè)一個(gè)物理現(xiàn)象專門建造在粒子物理發(fā)展史上，很少為探測(cè)一個(gè)物理現(xiàn)象專門建造 這么多大型實(shí)驗(yàn)裝置這么多大型實(shí)驗(yàn)裝置, 并堅(jiān)持并堅(jiān)持幾十年的研究幾十年的研究。實(shí)驗(yàn)精度達(dá)。實(shí)驗(yàn)精度達(dá) 到了到了千

21、萬分之一千萬分之一。由此不難看出。由此不難看出, 研究研究CP破壞的重要性破壞的重要性 目前正在運(yùn)行的美國和日本目前正在運(yùn)行的美國和日本兩個(gè)兩個(gè)B-介子工廠介子工廠， 繼續(xù)對(duì)繼續(xù)對(duì)B介介 子衰變中子衰變中CP破壞進(jìn)行研究。破壞進(jìn)行研究。難題之一難題之一: 量子色動(dòng)力學(xué)的量子色動(dòng)力學(xué)的微擾和非微擾計(jì)算之間的匹配問題。微擾和非微擾計(jì)算之間的匹配問題。 因如果這個(gè)問題不解決，理論預(yù)言的結(jié)果將依賴于因如果這個(gè)問題不解決，理論預(yù)言的結(jié)果將依賴于 一個(gè)任意能量標(biāo)度一個(gè)任意能量標(biāo)度 。難題之二難題之二: 奇異夸克質(zhì)量的不確定性，奇異夸克質(zhì)量的不確定性，它可導(dǎo)致直接它可導(dǎo)致直接 CP破壞破壞 /的結(jié)果在數(shù)值上

22、達(dá)的結(jié)果在數(shù)值上達(dá) 2 倍以上的不確定性。倍以上的不確定性。難題之三難題之三: :任何理論如果要對(duì)直接任何理論如果要對(duì)直接CP 破壞破壞/給出給出可信可信 和自洽的理論預(yù)言，和自洽的理論預(yù)言，它必須同時(shí)能解釋它必須同時(shí)能解釋I=1/2 同位旋選擇規(guī)則同位旋選擇規(guī)則。因直接。因直接CP破壞與破壞與I=1/2規(guī)則規(guī)則 涉及到同樣的強(qiáng)子矩陣元涉及到同樣的強(qiáng)子矩陣元 引進(jìn)新的函數(shù)切斷正規(guī)化方法，引進(jìn)新的函數(shù)切斷正規(guī)化方法，解決了微擾與解決了微擾與非微擾之間匹配的難題。非微擾之間匹配的難題。 論證一組論證一組手征代數(shù)關(guān)系手征代數(shù)關(guān)系在量子手征圈圖修正下仍然成立。在量子手征圈圖修正下仍然成立。這組關(guān)系把直

23、接這組關(guān)系把直接CP破壞與破壞與I=1/2規(guī)則聯(lián)系起來。規(guī)則聯(lián)系起來。 消除理論預(yù)言中所有可能的大的不確定性消除理論預(yù)言中所有可能的大的不確定性 2001年對(duì)直接年對(duì)直接CP破壞給出的更精確的預(yù)言破壞給出的更精確的預(yù)言l （2045）10-4 (Y.L. Wu Phys. Rev. D64: 016001,2001) 20022003年美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室年美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室KTeV組和歐洲組和歐洲 日內(nèi)瓦日內(nèi)瓦NA48組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (KTeV Collab. Phys. Rev. D67: 012005,2003) (NA48 Collab. Phys. Lett. B544: 9

24、7,2002) 摘自總結(jié)評(píng)論性論文摘自總結(jié)評(píng)論性論文 S. Bertolini, “Theory Status of / ”, Frascati Phys.Ser.28 275-290 （2002） “北京組” 自然地自然地解釋了解釋了I 1/2同位旋選擇規(guī)則這個(gè)曾困擾了同位旋選擇規(guī)則這個(gè)曾困擾了粒子物理學(xué)家近粒子物理學(xué)家近半個(gè)多世紀(jì)半個(gè)多世紀(jì)的不解之謎。的不解之謎。 I 1/2同位旋選擇規(guī)則之謎的解釋同位旋選擇規(guī)則之謎的解釋494. 061. 001010. 3ReA421002. 012. 0ReA401033. 3ReA421015. 0ReA 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)上實(shí)驗(yàn)上, ,第一次

25、確立了自然界中直接第一次確立了自然界中直接CPCP 破壞的存在破壞的存在 理論上理論上, ,表明它可由標(biāo)準(zhǔn)模型中表明它可由標(biāo)準(zhǔn)模型中CPCP破壞破壞 機(jī)制來解釋機(jī)制來解釋 科學(xué)上，科學(xué)上，排除了第五種排除了第五種“超弱相互作超弱相互作 用力用力”理論理論 CP破壞位相的起源破壞位相的起源 新的新的CP破壞源、新的物理唯象破壞源、新的物理唯象 而要實(shí)現(xiàn)而要實(shí)現(xiàn)CPCP對(duì)稱性對(duì)稱性自發(fā)破缺自發(fā)破缺, ,至少需要兩至少需要兩個(gè)黑格斯二重態(tài)個(gè)黑格斯二重態(tài), ,但基但基于標(biāo)準(zhǔn)模型創(chuàng)立者格拉于標(biāo)準(zhǔn)模型創(chuàng)立者格拉肖和溫伯格肖和溫伯格19771977提出的提出的自然味守恒假設(shè)自然味守恒假設(shè),CP,CP自自發(fā)破

26、缺模型一直未能取發(fā)破缺模型一直未能取得重要突破得重要突破 CPCP對(duì)稱性自發(fā)破缺對(duì)稱性自發(fā)破缺 標(biāo)準(zhǔn)模型的重大突破之一是引進(jìn)由單個(gè)黑格斯二重態(tài)引起的標(biāo)準(zhǔn)模型的重大突破之一是引進(jìn)由單個(gè)黑格斯二重態(tài)引起的 對(duì)稱自發(fā)破缺機(jī)制對(duì)稱自發(fā)破缺機(jī)制, ,使規(guī)范粒子使規(guī)范粒子, ,夸克和輕子得到質(zhì)量夸克和輕子得到質(zhì)量. . 以以CPCP對(duì)稱性自發(fā)破缺的想法作為主要?jiǎng)訖C(jī)，放棄自然味守恒對(duì)稱性自發(fā)破缺的想法作為主要?jiǎng)訖C(jī)，放棄自然味守恒假設(shè)假設(shè), ,完整地建立完整地建立CPCP對(duì)稱性自發(fā)破缺的雙黑格斯二重態(tài)模型。對(duì)稱性自發(fā)破缺的雙黑格斯二重態(tài)模型。 發(fā)現(xiàn)當(dāng)真空自發(fā)破缺后，每個(gè)夸克和輕子不僅得到質(zhì)量，還發(fā)現(xiàn)當(dāng)真空自發(fā)

27、破缺后，每個(gè)夸克和輕子不僅得到質(zhì)量，還都得到一個(gè)物理的都得到一個(gè)物理的CPCP破壞位相，由兩個(gè)真空態(tài)的相對(duì)位相引破壞位相，由兩個(gè)真空態(tài)的相對(duì)位相引起起 此模型具有非常豐富的此模型具有非常豐富的CPCP破壞源破壞源, ,不僅解釋了標(biāo)準(zhǔn)模型中不僅解釋了標(biāo)準(zhǔn)模型中 CP破壞的起源破壞的起源， 還發(fā)現(xiàn)了一類重要的還發(fā)現(xiàn)了一類重要的新的新的CP破壞源。破壞源。導(dǎo)致導(dǎo)致 許多許多新的物理唯象新的物理唯象可在精度高的實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行檢驗(yàn)可在精度高的實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行檢驗(yàn). . Y.L. Wu & L. Wolfenstein Phys. Rev. Lett. 73, 1762, 94 Y.L.Wu & Y.F.Zhou

28、Phys. Rev. D64: 115018, 2001; 夸克和輕子除了質(zhì)量和自旋量子數(shù)外夸克和輕子除了質(zhì)量和自旋量子數(shù)外, 多了多了CP位相量子數(shù)位相量子數(shù) 此模型已成為標(biāo)準(zhǔn)模型以外一個(gè)簡單，并具吸引力的新物此模型已成為標(biāo)準(zhǔn)模型以外一個(gè)簡單，并具吸引力的新物 理模型理模型, 被稱為被稱為模型模型 III 2HDM。 一、一、 中子和電子的電耦極矩中子和電子的電耦極矩, ,中性中性D-D,BD-D,Bs s-B-Bs s介子混合和介子混合和CPCP破壞破壞, , B B介子輻射衰變和稀有衰變等介子輻射衰變和稀有衰變等, ,這這給實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家給實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家 尋找新物理提供必要的理論依據(jù)?？稍诟?/p>

29、精確的實(shí)驗(yàn)上尋找新物理提供必要的理論依據(jù)?？稍诟_的實(shí)驗(yàn)上得得 到驗(yàn)證，如在超級(jí)到驗(yàn)證，如在超級(jí)-B工廠或工廠或LHCb等實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行檢驗(yàn)。等實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行檢驗(yàn)。二、二、 S2HDM模型中模型中新的新的CP破壞源和相互作用破壞源和相互作用可很好地用可很好地用 來解釋最近由美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室來解釋最近由美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室（BrookhavenBrookhaven） 所觀測(cè)到的所觀測(cè)到的子反常磁矩子反常磁矩與標(biāo)準(zhǔn)模型中的偏差與標(biāo)準(zhǔn)模型中的偏差三、三、S2HDMS2HDM模型模型可導(dǎo)致可導(dǎo)致味改變的輕子過程味改變的輕子過程 ee， ，并并接近現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)精度范圍接近現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)精度范圍。l 隨著對(duì)探

30、索物質(zhì)深層次結(jié)構(gòu)和宇宙大尺度隨著對(duì)探索物質(zhì)深層次結(jié)構(gòu)和宇宙大尺度演化的實(shí)驗(yàn)和理論研究的不斷深入，粒子演化的實(shí)驗(yàn)和理論研究的不斷深入，粒子物理和宇宙學(xué)兩者看起來似乎是兩個(gè)獨(dú)立物理和宇宙學(xué)兩者看起來似乎是兩個(gè)獨(dú)立的前沿學(xué)科，而實(shí)際上已成為同一個(gè)科學(xué)的前沿學(xué)科，而實(shí)際上已成為同一個(gè)科學(xué)問題的兩個(gè)不同側(cè)面。問題的兩個(gè)不同側(cè)面。l它們正發(fā)展成為多學(xué)科交叉、即將微觀、它們正發(fā)展成為多學(xué)科交叉、即將微觀、宏觀與宇觀世界的研究結(jié)合起來的一個(gè)重宏觀與宇觀世界的研究結(jié)合起來的一個(gè)重要的前沿學(xué)科。要的前沿學(xué)科。早期宇宙：早期宇宙：極端高能量密度狀態(tài)極端高能量密度狀態(tài)微觀世界微觀世界 1144iiLLLRRRLLRR

31、LDDFFFF 非微擾效應(yīng)非微擾效應(yīng)*LRRLCCRRRRN NN NV116RG0VUniverse 宇宙宇宙 Matter 物質(zhì)物質(zhì) 3030Dark Energy暗能量暗能量 7070 Dark Matter 暗物質(zhì)暗物質(zhì) 90%H (77%) Quark Matter 夸克物質(zhì)夸克物質(zhì) 10%10%He (23%) 宇宙學(xué)模型：宇宙學(xué)模型：以以大爆炸宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型大爆炸宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型為基礎(chǔ)的為基礎(chǔ)的 暴漲暴漲 暗能量暗能量 暗物質(zhì)暗物質(zhì) 夸克物質(zhì)夸克物質(zhì)大爆炸大爆炸暴漲暴漲宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型面臨的挑戰(zhàn)宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型面臨的挑戰(zhàn)粒子理論粒子理論量子場論量子場論 引力理論引力理論廣義相對(duì)論廣義相

32、對(duì)論統(tǒng)一理論統(tǒng)一理論超弦理論超弦理論宇宙演化宇宙演化三個(gè)基本理論是研究物質(zhì)深層次結(jié)構(gòu)和宇宙大尺度演化的基三個(gè)基本理論是研究物質(zhì)深層次結(jié)構(gòu)和宇宙大尺度演化的基礎(chǔ)，任何新理論都必須同時(shí)受到高能實(shí)驗(yàn)和宇宙觀測(cè)的檢驗(yàn)礎(chǔ)，任何新理論都必須同時(shí)受到高能實(shí)驗(yàn)和宇宙觀測(cè)的檢驗(yàn) 一、一、 規(guī)范相互作用規(guī)范相互作用 1、QCD的低能動(dòng)力學(xué)和夸克禁閉的低能動(dòng)力學(xué)和夸克禁閉 (夸克物質(zhì)夸克物質(zhì)/中子星中子星) 2、量子引力和統(tǒng)一理論、量子引力和統(tǒng)一理論 (早期宇宙起源早期宇宙起源/暴漲宇宙暴漲宇宙) 二、二、 對(duì)稱破缺和味物理對(duì)稱破缺和味物理 1、電弱對(duì)稱破缺機(jī)制和、電弱對(duì)稱破缺機(jī)制和Higgs 粒子粒子 2、超出標(biāo)

33、準(zhǔn)模型的新物理、超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理 （1）粒子質(zhì)量起源和）粒子質(zhì)量起源和CP破壞破壞（物質(zhì)物質(zhì)-反物質(zhì)不對(duì)稱）反物質(zhì)不對(duì)稱） （2）TeV物理和新粒子物理和新粒子（超對(duì)稱（超對(duì)稱/鏡像粒子鏡像粒子/暗物質(zhì)等）暗物質(zhì)等） （3）中微子的特殊性質(zhì)）中微子的特殊性質(zhì) （電中性（電中性/小質(zhì)量小質(zhì)量/大混合）大混合） （4）夸克輕子代數(shù)之謎）夸克輕子代數(shù)之謎 （味對(duì)稱性和味動(dòng)力學(xué)）味對(duì)稱性和味動(dòng)力學(xué)） （5）規(guī)范等級(jí)、能量標(biāo)度和真空態(tài)）規(guī)范等級(jí)、能量標(biāo)度和真空態(tài)（暗能量等）（暗能量等） l在精確檢驗(yàn)粒子物理和宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的在精確檢驗(yàn)粒子物理和宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上基礎(chǔ)上l發(fā)展超越粒子物理和宇宙學(xué)標(biāo)

34、準(zhǔn)模型的新發(fā)展超越粒子物理和宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的新理論模型理論模型l探索物質(zhì)深層次結(jié)構(gòu)和宇宙極早期演化的探索物質(zhì)深層次結(jié)構(gòu)和宇宙極早期演化的物理規(guī)律物理規(guī)律 l揭示極小粒子與極大宇宙間的內(nèi)在聯(lián)系和揭示極小粒子與極大宇宙間的內(nèi)在聯(lián)系和統(tǒng)一規(guī)律統(tǒng)一規(guī)律l在西歐核子中心（在西歐核子中心（CERN）總造價(jià)近）總造價(jià)近80億美元的億美元的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC即將正式投入運(yùn)行。中國也即將正式投入運(yùn)行。中國也已經(jīng)正式參加了已經(jīng)正式參加了LHC國際合作，我國科技部、國國際合作，我國科技部、國家自然基金委員會(huì)和科學(xué)院向家自然基金委員會(huì)和科學(xué)院向LHC項(xiàng)目投入了約項(xiàng)目投入了約四千萬人民幣作為第一期科研經(jīng)

35、費(fèi)。四千萬人民幣作為第一期科研經(jīng)費(fèi)。lLHC有望揭開粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型電弱規(guī)范對(duì)稱性有望揭開粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型電弱規(guī)范對(duì)稱性破缺機(jī)制和基本粒子質(zhì)量起源之謎。對(duì)人類認(rèn)識(shí)破缺機(jī)制和基本粒子質(zhì)量起源之謎。對(duì)人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)起源和早期宇宙狀態(tài)將產(chǎn)生劃時(shí)代的影響。物質(zhì)起源和早期宇宙狀態(tài)將產(chǎn)生劃時(shí)代的影響。l在北京的在北京的BEPCII和美國的和美國的CLEOC以及日本和美以及日本和美國的兩個(gè)國的兩個(gè)B介子工廠等也將會(huì)進(jìn)一步精確檢驗(yàn)介子工廠等也將會(huì)進(jìn)一步精確檢驗(yàn)和發(fā)展粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。和發(fā)展粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。l歐洲也將在歐洲也將在2008年發(fā)射年發(fā)射Planck空間衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行空間衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行精確宇宙學(xué)研究：

36、精確宇宙學(xué)研究：l對(duì)宇宙學(xué)基本參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量（如哈勃常數(shù)等）對(duì)宇宙學(xué)基本參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)量（如哈勃常數(shù)等）l對(duì)宇宙背景輻射的不均勻性和結(jié)構(gòu)振幅做精確測(cè)量對(duì)宇宙背景輻射的不均勻性和結(jié)構(gòu)振幅做精確測(cè)量l對(duì)早期宇宙暴漲模型進(jìn)行檢驗(yàn)并探測(cè)暗物質(zhì)的性質(zhì)對(duì)早期宇宙暴漲模型進(jìn)行檢驗(yàn)并探測(cè)暗物質(zhì)的性質(zhì) l因此，因此，Planck空間實(shí)驗(yàn)將幫助人類回答現(xiàn)代科學(xué)遇空間實(shí)驗(yàn)將幫助人類回答現(xiàn)代科學(xué)遇到的一個(gè)基本問題，到的一個(gè)基本問題， 即：宇宙的早期起源，宇宙現(xiàn)即：宇宙的早期起源，宇宙現(xiàn)在的狀態(tài)和星系形成，宇宙演化的將來。在的狀態(tài)和星系形成，宇宙演化的將來。1 1、LHC（Large Hadron Collision

37、) 對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn) 檢驗(yàn)電弱對(duì)稱破缺機(jī)制檢驗(yàn)電弱對(duì)稱破缺機(jī)制, ,探測(cè)超對(duì)稱粒子探測(cè)超對(duì)稱粒子2 2、( (超級(jí)超級(jí)) )B介子工廠介子工廠 ( (運(yùn)行和改進(jìn)）運(yùn)行和改進(jìn)） 探測(cè)探測(cè)CPCP破壞和新物理破壞和新物理3 3、ILC(International Linear Collider) 對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)( (設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)) ) 高精度探測(cè)新物理高精度探測(cè)新物理4 4、中微子實(shí)驗(yàn)中微子實(shí)驗(yàn)( (運(yùn)行和建立運(yùn)行和建立) ) SuperK,K2KSuperK,K2K，KamLandKamLand，DayaBay,DayaBay, 5 5、精密實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)對(duì)稱性破壞（運(yùn)行和建立）精密實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)對(duì)稱

38、性破壞（運(yùn)行和建立） 輕子數(shù)破壞（輕子數(shù)破壞（LFV,2LFV,2 ）、時(shí)間反演破壞（）、時(shí)間反演破壞（EDM)EDM)、 重子數(shù)破壞（重子數(shù)破壞（BNVBNV）、）、 實(shí)驗(yàn)進(jìn)展現(xiàn)狀實(shí)驗(yàn)進(jìn)展現(xiàn)狀6 6、標(biāo)準(zhǔn)模型精確測(cè)量實(shí)驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)模型精確測(cè)量實(shí)驗(yàn) BEPCIIBEPCII、CLEO_CCLEO_C、RICHRICH、LHCbLHCb、7 7、暗能量和暗物質(zhì)、暗能量和暗物質(zhì) CMBCMB實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)： 包括包括WMAPWMAP進(jìn)一步的觀測(cè)以及進(jìn)一步的觀測(cè)以及 PlanckPlanck實(shí)驗(yàn)將精度進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)將精度進(jìn)一步提高 (2007)(2007) SupernovaeSupernovae實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn) S

39、NAPSNAP實(shí)驗(yàn)預(yù)期對(duì)暗能量的觀測(cè)能提高幾倍實(shí)驗(yàn)預(yù)期對(duì)暗能量的觀測(cè)能提高幾倍 LAMOSTLAMOST實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)8 8、引力實(shí)驗(yàn)、引力實(shí)驗(yàn) 引力波探測(cè)：引力波探測(cè)：LIGOLIGO（地面）、（地面）、LISALISA（空間）（空間） 愛因斯坦廣義相對(duì)論的檢驗(yàn)愛因斯坦廣義相對(duì)論的檢驗(yàn)9、宇宙線實(shí)驗(yàn)宇宙線實(shí)驗(yàn) （包括羊八井實(shí)驗(yàn)）（包括羊八井實(shí)驗(yàn)） 宇宙線起源、宇宙線起源、 射線爆、中微子爆、射線爆、中微子爆、l 動(dòng)機(jī)和想法（動(dòng)機(jī)和想法（Motivation）l 最大對(duì)稱化的最小統(tǒng)一模型最大對(duì)稱化的最小統(tǒng)一模型(MSMUM)l 自然界最基本問題的探討自然界最基本問題的探討 l什么是自然界最基本的組元

40、？什么是自然界最基本的組元？l什么是自然界最基本的對(duì)稱性？什么是自然界最基本的對(duì)稱性？l什么是自然界最基本的力？什么是自然界最基本的力？為什么我們生活的時(shí)空是四維的為什么我們生活的時(shí)空是四維的為什么我們生存的物質(zhì)世界宇稱是破壞的為什么我們生存的物質(zhì)世界宇稱是破壞的l為什么只有三代夸克為什么只有三代夸克-輕子？輕子？l質(zhì)子的穩(wěn)定性如何？質(zhì)子的穩(wěn)定性如何？l中微子的絕對(duì)質(zhì)量到底多大？中微子的絕對(duì)質(zhì)量到底多大？ Dirac or MajoranalCP破壞的起源是什么？破壞的起源是什么？l暗物質(zhì)粒子是什么？暗物質(zhì)粒子是什么？l暗能量的本質(zhì)是什么？暗能量的本質(zhì)是什么？From Bottom to Up

41、 (從下往上從下往上) ) Observation Symmetry 觀測(cè)觀測(cè) 對(duì)稱性對(duì)稱性Phen. Model Theory唯象唯象 模型模型 理論理論粒子理論粒子理論標(biāo)準(zhǔn)模型標(biāo)準(zhǔn)模型U(1)xSU(2)xSU(3)U(1)xSU(2)xSU(3)U(1)SU(2)SU(3)tHooft From Top to Down (從上往下從上往下) ) Hypothesis Consistency 原理原理假設(shè)假設(shè) 自洽性自洽性Theory Model Phen.理論理論 模型模型 唯象唯象ooooString Theory 弦理論弦理論 從上往下 從下往上 理論理論 模型模型 唯象唯象Stan

42、dard Model 標(biāo)準(zhǔn)模型標(biāo)準(zhǔn)模型 在在100GeV的能標(biāo)被檢驗(yàn)的能標(biāo)被檢驗(yàn)l基本組成基本組成: 夸克和輕子夸克和輕子l基本對(duì)稱性基本對(duì)稱性：U(1) x SU(2) x SU(3)x SO(1,3)l基本的力基本的力 ： 電磁相互作用電磁相互作用 , 弱相互作用和強(qiáng)相互作用弱相互作用和強(qiáng)相互作用, 引力相互作用引力相互作用l 宇稱反演：宇稱反演： 宇稱不守恒宇稱不守恒 (實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)); 左手左手漸近自由漸近自由 SU(3)-夸克禁閉夸克禁閉重整性重整性 可重整理論可重整理論 跑動(dòng)的耦合常數(shù)（隨能量）跑動(dòng)的耦合常數(shù)（隨能量） 在高能標(biāo)時(shí)在高能標(biāo)時(shí) (即在空間尺度很短時(shí)即在空間尺度很短時(shí)) ，

43、所有的相互作用力，所有的相互作用力 的大小變得幾乎相同的大小變得幾乎相同 大統(tǒng)一理論大統(tǒng)一理論 (GUTs) 最小大統(tǒng)一理論最小大統(tǒng)一理論: SU(5) 加上右手中微子加上右手中微子: SO(10)Weak:Strong:StrongEMWeakxFqq Electro-magnetic:tHooft1510m1810m2110m2410m2710m3010m3310mTodaysLimit GUTs3510mPlanck length :The first Black HoleseSU(4) SU(2) SU(2)Parti-SalamrugubuSO(10)Georgi-Glashower

44、dgdbdrdgdbderugubue3 Families3 FamiliesSO(1,3） U(3) SU(32) or SO(32) YLWul質(zhì)子衰變質(zhì)子衰變 幾乎排除了幾乎排除了 SU(5) 對(duì)對(duì)SO(10) 給出很強(qiáng)的限制給出很強(qiáng)的限制 l在標(biāo)準(zhǔn)模型和大統(tǒng)一理論中在標(biāo)準(zhǔn)模型和大統(tǒng)一理論中 對(duì)稱性意味著什么？對(duì)稱性意味著什么？ 使基本粒子夸克和輕子的不同使基本粒子夸克和輕子的不同量子數(shù)之間量子數(shù)之間 建立某種建立某種關(guān)聯(lián)關(guān)聯(lián)，從而引入對(duì)稱性，從而引入對(duì)稱性l標(biāo)準(zhǔn)模型中的對(duì)稱性標(biāo)準(zhǔn)模型中的對(duì)稱性 SU(2)_L: 夸克和輕子的夸克和輕子的2個(gè)個(gè)同位旋同位旋量子數(shù)量子數(shù)SU(3)_C: 夸

45、克的夸克的3個(gè)個(gè)色色量子數(shù)量子數(shù)SO(1,3) : 2個(gè)個(gè)自旋自旋量子數(shù)量子數(shù) & 2個(gè)個(gè)手征螺旋手征螺旋量子數(shù)量子數(shù)l大統(tǒng)一理論大統(tǒng)一理論 SO(10)模型中的對(duì)稱性模型中的對(duì)稱性: 把把同位旋色輕子同位旋色輕子 量子數(shù)統(tǒng)一起來描述量子數(shù)統(tǒng)一起來描述把所有的量子數(shù)看作是同等的把所有的量子數(shù)看作是同等的 廣義的廣義的Lorentz對(duì)稱性對(duì)稱性 SO(1,3) x SO(10) 14維維 的量子時(shí)空的量子時(shí)空 維數(shù)維數(shù) =夸克和輕子的基本量子數(shù)夸克和輕子的基本量子數(shù) 2-自旋自旋 2-手征螺旋量子數(shù)手征螺旋量子數(shù), 2- 同位旋量子數(shù)同位旋量子數(shù), 3 -色色 和和 3 -反色量子數(shù)反色量子數(shù)

46、1 -輕子和輕子和 1- 反輕子量子數(shù)反輕子量子數(shù) 2 + 2 + 3 + 3 + 1+ 1 = 14 K.C. Chou and Y.L. Wu, Science in China, Series A41 324 (1998).物質(zhì)基本組元的物質(zhì)基本組元的IDF = 14維量子時(shí)空的旋量表示維量子時(shí)空的旋量表示夸克和輕子有夸克和輕子有64個(gè)實(shí)的獨(dú)立自由度個(gè)實(shí)的獨(dú)立自由度在在 SM & GUTS中中 只引進(jìn)了基本組元的量子數(shù)之間的對(duì)稱性，而沒只引進(jìn)了基本組元的量子數(shù)之間的對(duì)稱性，而沒有考慮基本組元所有獨(dú)立自由度之間的對(duì)稱性有考慮基本組元所有獨(dú)立自由度之間的對(duì)稱性SO(1,3)xSO(10) 對(duì)

47、稱性對(duì)稱性并不是一個(gè)能夠把夸克和輕子所有獨(dú)立自由度并不是一個(gè)能夠把夸克和輕子所有獨(dú)立自由度之間建立關(guān)聯(lián)的一個(gè)可能的最大對(duì)稱性。之間建立關(guān)聯(lián)的一個(gè)可能的最大對(duì)稱性。l基本假設(shè)：基本假設(shè)： “物質(zhì)基本組元的所有獨(dú)立自由度應(yīng)該處在物質(zhì)基本組元的所有獨(dú)立自由度應(yīng)該處在相同的位置作同等的對(duì)待和考慮相同的位置作同等的對(duì)待和考慮 ，并應(yīng)在一，并應(yīng)在一個(gè)最小統(tǒng)一機(jī)制中由一個(gè)可能的最大對(duì)稱性個(gè)最小統(tǒng)一機(jī)制中由一個(gè)可能的最大對(duì)稱性把它們聯(lián)系和統(tǒng)一起來把它們聯(lián)系和統(tǒng)一起來 ”Maximally Symmetric Minimal Unification MSMU-hypothesis平權(quán)性和統(tǒng)一性原理平權(quán)性和統(tǒng)一性

48、原理l作為自然界物質(zhì)的基本組元，若我們相作為自然界物質(zhì)的基本組元，若我們相信自然界遵循信自然界遵循簡單、經(jīng)濟(jì)和美的規(guī)律簡單、經(jīng)濟(jì)和美的規(guī)律，那么物質(zhì)基本組元那么物質(zhì)基本組元所有獨(dú)立自由度的存所有獨(dú)立自由度的存在都應(yīng)該有它的作用，且所有獨(dú)立自由在都應(yīng)該有它的作用，且所有獨(dú)立自由度之間都應(yīng)該存在某種關(guān)聯(lián)，而不是孤度之間都應(yīng)該存在某種關(guān)聯(lián)，而不是孤立地存在。立地存在。 “旋量費(fèi)米子作為自然界的基本組元，它屬旋量費(fèi)米子作為自然界的基本組元，它屬于由基本量子數(shù)決定的高維量子時(shí)空的一個(gè)于由基本量子數(shù)決定的高維量子時(shí)空的一個(gè)旋量實(shí)表示，即：它應(yīng)該是所謂的旋量實(shí)表示，即：它應(yīng)該是所謂的Majorana旋量費(fèi)米

49、子旋量費(fèi)米子” “當(dāng)考慮宇稱也是一個(gè)好的時(shí)空對(duì)稱性時(shí)，當(dāng)考慮宇稱也是一個(gè)好的時(shí)空對(duì)稱性時(shí)，作為物質(zhì)基本組元的作為物質(zhì)基本組元的Majorana旋量費(fèi)米子旋量費(fèi)米子應(yīng)同時(shí)能很好地定義它的手征性應(yīng)同時(shí)能很好地定義它的手征性” 量子時(shí)空的性質(zhì)量子時(shí)空的性質(zhì) 量子時(shí)空應(yīng)該允許其旋量表示可同時(shí)定義量子時(shí)空應(yīng)該允許其旋量表示可同時(shí)定義 Majorana 和和 Weyl 旋量費(fèi)米子旋量費(fèi)米子l量子時(shí)空維數(shù)量子時(shí)空維數(shù) 滿足這個(gè)要求的可能的量子時(shí)空維數(shù)為：滿足這個(gè)要求的可能的量子時(shí)空維數(shù)為： D = 2 + 4n , n=1,2, D = 2, 6, 10, 14, 18, 22, 26, l MSMUM 的

50、最小維數(shù)為？的最小維數(shù)為？ D = 14 l 物質(zhì)基本組元物質(zhì)基本組元: 14-維量子時(shí)空上定義的維量子時(shí)空上定義的 Majorana旋量費(fèi)米子旋量費(fèi)米子l每一代每一代Majorana費(fèi)米子有費(fèi)米子有 128=27 個(gè)個(gè)實(shí)的獨(dú)立自由度實(shí)的獨(dú)立自由度， 是標(biāo)準(zhǔn)模型中夸克和輕子的獨(dú)立自由度是標(biāo)準(zhǔn)模型中夸克和輕子的獨(dú)立自由度（64）的兩倍的兩倍.l可以證明，由可以證明，由14-維量子時(shí)空維量子時(shí)空的旋量表示所滿足的的旋量表示所滿足的Majorana條件條件，當(dāng)，當(dāng)選擇恰當(dāng)?shù)男拷Y(jié)構(gòu)，選擇恰當(dāng)?shù)男拷Y(jié)構(gòu)，可自然地得到可自然地得到一個(gè)在一個(gè)在4-維時(shí)空上有運(yùn)動(dòng)的維時(shí)空上有運(yùn)動(dòng)的MSMUM，每一代基本組元

51、的最大規(guī)范對(duì)稱性為：，每一代基本組元的最大規(guī)范對(duì)稱性為： G = SO(1,3) x U(32) 考慮到三代夸克和輕子，考慮到三代夸克和輕子，10-維時(shí)空上有運(yùn)動(dòng)的維時(shí)空上有運(yùn)動(dòng)的MSMUM G SO(1,9) x SO(32) 10-維子空間里沒有動(dòng)能項(xiàng)，看作是一個(gè)內(nèi)稟維子空間里沒有動(dòng)能項(xiàng)，看作是一個(gè)內(nèi)稟空間空間10-維量子空間里的維量子空間里的32維旋量表示，在維旋量表示，在10-維維有運(yùn)動(dòng)的時(shí)空理論中，發(fā)現(xiàn)它具有的最大有運(yùn)動(dòng)的時(shí)空理論中，發(fā)現(xiàn)它具有的最大對(duì)稱性是：對(duì)稱性是： SO(32)根據(jù)根據(jù)MSMU-假設(shè)，三代處于同等的地位假設(shè)，三代處于同等的地位最大的味對(duì)稱性最大的味對(duì)稱性 SO(

52、6) SU(4) SU(3) x U(1) 時(shí)空結(jié)構(gòu)：時(shí)空結(jié)構(gòu)： M4 x K6時(shí)空對(duì)稱性：時(shí)空對(duì)稱性：SO(1,3) x SO(6) 由由14-維時(shí)空中的維時(shí)空中的Majorana旋量費(fèi)米子作為基本組元，旋量費(fèi)米子作為基本組元，在在4-維運(yùn)動(dòng)時(shí)空中的拉格朗日量可簡單地寫為：維運(yùn)動(dòng)時(shí)空中的拉格朗日量可簡單地寫為：構(gòu)造構(gòu)造MSMUM模型模型把對(duì)稱性局域化為把對(duì)稱性局域化為4-維時(shí)空的規(guī)范對(duì)稱性維時(shí)空的規(guī)范對(duì)稱性 由于夸克和輕子屬于由于夸克和輕子屬于14-維時(shí)空的維時(shí)空的Majorana-Weyl表示，且在表示，且在10-維子空間里自動(dòng)沒有運(yùn)動(dòng)，這就可維子空間里自動(dòng)沒有運(yùn)動(dòng)，這就可很自然的理解以下

53、兩個(gè)基本問題：很自然的理解以下兩個(gè)基本問題：為什么我們生存的由夸克和輕子組成的物質(zhì)世界不為什么我們生存的由夸克和輕子組成的物質(zhì)世界不是左右宇稱反演不變的是左右宇稱反演不變的為什么我們生存的由夸克和輕子組成的時(shí)空為什么我們生存的由夸克和輕子組成的時(shí)空只是一個(gè)只是一個(gè)4-維的時(shí)空維的時(shí)空4-維運(yùn)動(dòng)時(shí)空維運(yùn)動(dòng)時(shí)空與與左右鏡像破壞左右鏡像破壞lMSMUM 中的費(fèi)米子組元是標(biāo)準(zhǔn)模型中的兩倍。中的費(fèi)米子組元是標(biāo)準(zhǔn)模型中的兩倍。另一半稱為另一半稱為“東向東向”的基本組元與的基本組元與“西向西向”的的基本組元（夸克基本組元（夸克-輕子）互為鏡像，即：鏡像夸輕子）互為鏡像，即：鏡像夸克和鏡像輕子克和鏡像輕子當(dāng)鏡

54、像粒子形成穩(wěn)定狀態(tài)的物質(zhì)，且與普通物質(zhì)當(dāng)鏡像粒子形成穩(wěn)定狀態(tài)的物質(zhì)，且與普通物質(zhì)只有很弱的相互作用，那么只有很弱的相互作用，那么穩(wěn)定的鏡像物質(zhì)穩(wěn)定的鏡像物質(zhì)就可就可以成為宇宙中暗物質(zhì)的很有趣的候選者！以成為宇宙中暗物質(zhì)的很有趣的候選者！ 因子群因子群 SU(16) of SO(32) 在夸克和輕子之間在夸克和輕子之間提供了一個(gè)最大的規(guī)范對(duì)稱性提供了一個(gè)最大的規(guī)范對(duì)稱性. 以至于所有夸克以至于所有夸克和輕子的規(guī)范相互作用都由不同的規(guī)范玻色子和輕子的規(guī)范相互作用都由不同的規(guī)范玻色子來承擔(dān)。即：來承擔(dān)。即：沒有物理規(guī)范玻色子來直接參與沒有物理規(guī)范玻色子來直接參與傳遞質(zhì)子衰變傳遞質(zhì)子衰變?cè)谧畲髮?duì)稱化的

55、最小統(tǒng)一模型在最大對(duì)稱化的最小統(tǒng)一模型 MSMUM）中，）中， 質(zhì)子可以是非常穩(wěn)定的，這與通常的大統(tǒng)一理論質(zhì)子可以是非常穩(wěn)定的，這與通常的大統(tǒng)一理論 GUTs的情況有所不同的情況有所不同l鏡像夸克和鏡像輕子的質(zhì)量完全允許可以在鏡像夸克和鏡像輕子的質(zhì)量完全允許可以在TeV能標(biāo)附近，可探討在能標(biāo)附近，可探討在LHC實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行檢測(cè)l當(dāng)來自質(zhì)子穩(wěn)定性的限制變?nèi)?，在?dāng)來自質(zhì)子穩(wěn)定性的限制變?nèi)?，在MSMUM 中中一些對(duì)稱性破缺的能標(biāo)有可能變得更低。一些對(duì)稱性破缺的能標(biāo)有可能變得更低。由于由于Majorana條件，條件，MSMUM中的相互作用是中的相互作用是自軛米的，所有的耦合常數(shù)都是實(shí)的。這

56、要求自軛米的，所有的耦合常數(shù)都是實(shí)的。這要求CP對(duì)稱性的破缺必須是自發(fā)的。對(duì)稱性的破缺必須是自發(fā)的。因因MSMUM中的對(duì)稱性是最大的，而參數(shù)又是最少的中的對(duì)稱性是最大的，而參數(shù)又是最少的, 因此因此應(yīng)更具有預(yù)言性應(yīng)更具有預(yù)言性Yukawa耦合的最小標(biāo)量場包含了粒子耦合的最小標(biāo)量場包含了粒子質(zhì)量產(chǎn)生和實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)see-saw 機(jī)制的最小表示機(jī)制的最小表示這自然地有助于從對(duì)稱性破缺模式的真空結(jié)構(gòu)理解夸克和輕子這自然地有助于從對(duì)稱性破缺模式的真空結(jié)構(gòu)理解夸克和輕子如何獲得質(zhì)量和混合，以及為什么中微子的質(zhì)量如此的小。如何獲得質(zhì)量和混合，以及為什么中微子的質(zhì)量如此的小。 和GUT中一樣，在MSMUM中，對(duì)

57、稱性破中，對(duì)稱性破缺的方式和真空結(jié)構(gòu)仍然是最重要的方面。缺的方式和真空結(jié)構(gòu)仍然是最重要的方面。一個(gè)簡單的對(duì)稱性破缺方式：一個(gè)簡單的對(duì)稱性破缺方式：SO(32) SU(16) 當(dāng)把當(dāng)把MSMU-假設(shè)的原則延伸到時(shí)空對(duì)稱性假設(shè)的原則延伸到時(shí)空對(duì)稱性中去，自然地得到如下結(jié)論中去，自然地得到如下結(jié)論 最大的時(shí)空對(duì)稱性必須是超對(duì)稱最大的時(shí)空對(duì)稱性必須是超對(duì)稱: Boson Fermion 玻色子玻色子 費(fèi)米子費(fèi)米子 SUSY MSMUM. 給定不同的給定不同的Majonara旋量結(jié)構(gòu)旋量結(jié)構(gòu) 得到不同的得到不同的高維時(shí)空的幾何性質(zhì)高維時(shí)空的幾何性質(zhì) 導(dǎo)致不同的物理結(jié)果導(dǎo)致不同的物理結(jié)果選擇旋量結(jié)構(gòu)選擇旋量結(jié)構(gòu) 直接描述夸克和輕子直接描述夸克和輕子 自動(dòng)導(dǎo)出唯一的解自動(dòng)導(dǎo)出唯一的解: 只有只有46-維時(shí)空才允維時(shí)空才允許有夸克和輕子的運(yùn)動(dòng)學(xué)項(xiàng)，另許有夸克和輕子的運(yùn)動(dòng)學(xué)項(xiàng)，另10-維子空間成為維子空間成為一個(gè)沒有運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部空間一個(gè)沒有運(yùn)動(dòng)的內(nèi)部空間 G = SO(1,3) x SO(6) x SO(32)從一個(gè)簡單的假設(shè)出發(fā)，我們導(dǎo)出具有規(guī)范對(duì)稱性從一個(gè)簡單的假設(shè)出發(fā)，我們導(dǎo)出具有規(guī)范對(duì)稱性的的4