粒子物理前沿詳解課件

1、粒子物理前沿中科院高能所 黃濤2015.11.5.于信陽(yáng)師范學(xué)院粒子物理前沿上帝粒子和標(biāo)準(zhǔn)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(yǔ) 發(fā)現(xiàn)Higgs粒子上帝粒子 1964年，比利時(shí)物理學(xué)家R.Brout和F.Englert首次提出粒子如何得到質(zhì)量的理論，一個(gè)月后，英國(guó)物理學(xué)家P.Higgs也發(fā)表論文明確提出存在一個(gè)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(shí)的理論這就是標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)模型必須有它存在產(chǎn)生質(zhì)量，人們稱它為”上帝粒子”

2、 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(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)物理學(xué)家P.Higgs和比利時(shí)物理學(xué)家F.Englert，以表彰他們對(duì)Higgs玻色子所做的預(yù)測(cè)(與Englert同時(shí)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(yùn)行ATLAS粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型發(fā)展粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型前期(1960-1966) SU(3)對(duì)稱性分類, Quark model ,

3、 weak interaction pheno-theory標(biāo)準(zhǔn)模型建立和發(fā)展(1967-present) 1967 electro-weak standard model 1973 quantum chromodynamics標(biāo)準(zhǔn)模型成功和突破(1998-present) *弱電統(tǒng)一理論與描述夸克之間強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)理論合在一起統(tǒng)稱為粒子物理學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)模型理論，這是廿世紀(jì)物理學(xué)最重要的成果之一。 *在標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)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

4、子就是物質(zhì)世界的基本單元，它們遵從的規(guī)律是標(biāo)準(zhǔn)模型理論。規(guī)范場(chǎng)論是構(gòu)筑自然界四種基本相互作用理論的基礎(chǔ)。粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型Nobel物理獎(jiǎng) Theory(5)1979 Nobel物理獎(jiǎng)Glashow-Weinberg-Salam規(guī)范場(chǎng)論統(tǒng)一弱、 電相互作用(1961,1967)1999 Nobel物理獎(jiǎng) tHooft-Veltmen非 阿貝爾規(guī)范場(chǎng)重整化（1979）2004 Nobel物理獎(jiǎng)1973年 Gross-Wilczek-Politzer奠定了量子色動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)。(1973 QCD漸近自由性質(zhì))2008 Nobel物理獎(jiǎng)Nambu- Kobayashi-Maskawa）對(duì)稱性破 缺起源

5、的發(fā)現(xiàn)(1960,1973 )2013 Nobel物理獎(jiǎng)Englert-Higgs預(yù) 言了Higgs粒子(1964) Experiment(5)1990 Nobel物理獎(jiǎng)Friedman,Kendall,Taylor 發(fā)現(xiàn)夸克存 在的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明 (1967-1968)1976 Nobel物理獎(jiǎng)Richter&丁肇中發(fā)現(xiàn) 了新粒子J/ (1974 ) c quark1995 Nobel物理獎(jiǎng)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(jiǎng)Rubbia和Simon van der Meer 中間玻色子的發(fā)現(xiàn) WZ(1983)1988

6、 Lederman, Schwartz和 Steinberger 中微子對(duì)稱結(jié)構(gòu)1984年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予瑞士日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心（CERN）Carlo Rubbia和Simon van der Meer1972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(chǎng)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(jì)算微擾論的高階修正結(jié)果。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)19012015年獲獎(jiǎng)109屆 粒子物理和核物理占了物理學(xué)的1/2， 凝聚態(tài)物理占了物理學(xué)的1/3左右， 其他物理合起來(lái)占了物理學(xué)的1/6左右。檢驗(yàn)、發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)模型和尋找

7、新物理 從實(shí)驗(yàn)和理論上改善精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)模型 上帝粒子性貭 夸克禁閉 質(zhì)量起源標(biāo)準(zhǔn)模型并不是基本理論而是更深層次(新能標(biāo))動(dòng)力學(xué)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(duì)稱性破缺的本質(zhì)和夸克囚禁。概括起來(lái)說(shuō)，探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)正向三個(gè)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(lái)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(xué)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(biāo)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(yùn)動(dòng)規(guī)律 中微子振蕩2002 Nobel物理獎(jiǎng): Davis、小柴昌俊(Koshiba)和

8、賈科尼測(cè)量了宇宙中中微子。2015 Nobel物理獎(jiǎng): Kajita和McDonald獲獎(jiǎng)。發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，表明中微子具有質(zhì)量。2015年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)日本科學(xué)家Takaaki Kajita和加拿大科學(xué)家Arthur B. McDonald獲獎(jiǎng)。獲獎(jiǎng)理由是“發(fā)現(xiàn)了中微子振蕩，表明中微子具有質(zhì)量?！盩akaaki Kajita在超級(jí)神岡探測(cè)器（Super-Kamiokande detector）上的發(fā)現(xiàn)：大氣中的中微子會(huì)在兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。Arthur B. McDonald通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)中的中微子消失是因?yàn)檗D(zhuǎn)換到到另一種狀態(tài)的中微子。三代輕子2002年度諾貝爾物理獎(jiǎng)授予美國(guó)科學(xué)家Davi

9、s、日本科學(xué)家小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)和美國(guó)科學(xué)家里卡多-賈科尼。1968年，美國(guó)戴維斯發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)中微子失蹤，1998年日本神崗實(shí)驗(yàn)和美國(guó)IMB實(shí)驗(yàn)觀測(cè)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(jià)于發(fā)現(xiàn)新的中微子振蕩模式信號(hào)顯著性為5.2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差：振蕩不存在的概率為一千萬(wàn)分之一udcstbemtnenmnt電荷+2/3-1/30-1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-

10、4.5 GeVmt=174GeV質(zhì)量起源困擾 標(biāo)準(zhǔn)模型并不是基本理論而是更深層次(新能標(biāo))動(dòng)力學(xué)規(guī)律下的有效理論。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，不僅中間玻色子的質(zhì)量是通過(guò)對(duì)稱性破缺獲得的，而且夸克和輕子的質(zhì)量也是通過(guò)引入Higgs場(chǎng)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(gè)數(shù)量級(jí)，即使同一層次的夸克也從幾MeV到180GeV，相差上萬(wàn)倍，其質(zhì)量的起源困擾著高能物理學(xué)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)了大量強(qiáng)子態(tài)， 1960 反粒子發(fā)現(xiàn), 王淦昌

11、等。 1961 SU(3) 八重態(tài)方案，對(duì)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(zhì)結(jié)構(gòu)是由什么組成的？Quark model質(zhì)量公式預(yù)言 m- 1670 MeV 實(shí)驗(yàn) m- 1672.45 0.29 MeVsI3K+(us) K0(ds) -(u d) +(ud) K-(su) 0 K0(sd) sI3K*+ K*0 - K*- + K*0 0 sI3n(udd) p(uud) -(dds) 0 (uds) 0 + (uus) -(dss) 0(uss) (sss)0 -+

12、 + 0*-*+(ddd)(udd)(uud)(uuu)(dds)(uds)(uus)*-*0(uss)(dss)-自旋為00 = uu-dd2 自旋為1Success and chanllegeHadron spectrum-fraction charge particle? Three quark:u,d,s, 1974 November reolutionHadron: (qqq),(qqbar)No free quark-ConfinementSpin-statistics problem 1964 Greenberg Para statistics 1965-66 straton m

13、odel1974 Richter&Ting c-quarkPentequark state and heavy flavor at LHC, 2015X、Y、Z particlesIV. 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(xué)家也正在與宇宙學(xué)家和天體物理學(xué)家聯(lián)手從天文觀測(cè)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(jiǎng)授予宇宙微波背景輻射的各向異性，因?yàn)楝F(xiàn)代宇宙學(xué)的觀測(cè)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(qiáng)有力地支持了“暴漲

14、+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 protons) are 5%Dark Matter 23%Dark Energy 72%Anti-Matter 0%迄今為止，粒子物理學(xué)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(duì)21世紀(jì)粒子物理學(xué)最嚴(yán)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(xué)家也正在與宇宙學(xué)家和天體物理學(xué)家聯(lián)手從天文觀測(cè)和宇宙演化中發(fā)展新觀念和新理論。暗物質(zhì)李政道教授：“暗物質(zhì)是籠罩20世紀(jì)末和21世紀(jì)初現(xiàn)代物理學(xué)的最大烏云，它將預(yù)示著物理學(xué)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(shí)驗(yàn)室。早期宇宙處于高度對(duì)稱狀態(tài)，粒子數(shù)和反粒子數(shù)相等遵從電荷共軛對(duì)稱性物質(zhì)與反物質(zhì)不對(duì)稱 (6.1)10-10 小林和益川機(jī)制給出的CP破壞的起源給出的正反物質(zhì)不對(duì)稱遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于10-10。尋找新的CP破壞機(jī)制是粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)的重要課題。 2011年Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了三位利用高紅移超新星研究從觀測(cè)上給出了宇宙加速膨脹證據(jù)的科學(xué)家，他們是來(lái)自加州大學(xué)伯克利分校的Sau