探尋超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子

關(guān)于探尋超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子2023/3/31第1頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2023/3/32標(biāo)準(zhǔn)模型微觀粒子之間的基本相互作用是：SU(3)色規(guī)范相互作用和SU(2)U(1)電弱相互作用，他們分別具有確定的規(guī)律并且具有確定的對稱性。微觀物質(zhì)由具有這些相互作用性質(zhì)的61種粒子組成，它們是：光子、3種弱相互作用的中間玻色子、8種膠子、6種輕子、6種反輕子、18種夸克、18種反夸克、1種中性的Higgs粒子。這些粒子的存在是與這些相互作用密切相關(guān)的。第2頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2023/3/33超出標(biāo)準(zhǔn)模型超出標(biāo)準(zhǔn)模型的可能途徑：1。存在新的還沒有觀察到的相互作用，這種相互作用可能在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)還觀察不到它的顯著效應(yīng)；2。微觀物質(zhì)世界具有新的對稱性，這種對稱性現(xiàn)在還沒有被觀察到，很可能是一種已經(jīng)破缺了的對稱性。第3頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2023/3/34Higgs

粒子參與的相互作用如果Higgs粒子確實(shí)存在，雖然它可以參與和規(guī)范粒子的相互作用，但

Higgs

粒子的自作用，它和費(fèi)米子的湯川相互作用，都已經(jīng)超出標(biāo)準(zhǔn)模型的范圍。因此，和Higgs粒子參與的相互作用有關(guān)的物理是超出標(biāo)準(zhǔn)模型的物理。也就是說Higgs粒子參與的物理是超出標(biāo)準(zhǔn)模型的物理。第4頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2023/3/35Higgs粒子作為相互作用的媒介粒子實(shí)現(xiàn)的物理過程是超出標(biāo)準(zhǔn)模型的物理過程。首先要找到Higgs粒子，才能觀測Higgs粒子參與的相互作用過程，探究與此相關(guān)的超出標(biāo)準(zhǔn)模型的物理。在最小標(biāo)準(zhǔn)模型中認(rèn)為自然界中只存在一種中性的Higgs粒子，這個粒子的性質(zhì)已經(jīng)比較清楚了。一旦這種粒子被發(fā)現(xiàn)，就可以在此基礎(chǔ)上研究Higgs粒子作為相互作用的媒介粒子的物理過程。第5頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2023/3/36但是Higgs粒子可以不只是一種中性的，有可能存在幾個中性的Higgs粒子，還可能有幾個帶電的Higgs粒子。如果找到的Higgs粒子不僅是中性的，還可以有帶電的，則Higgs粒子有關(guān)的物理將是一個豐富多彩的領(lǐng)域，這是一個與標(biāo)準(zhǔn)模型相近的超出標(biāo)準(zhǔn)模型的物理領(lǐng)域。如果存在不止一種Higgs粒子，它們的質(zhì)量并不相同，它們的運(yùn)動行為也不相同。很可能其中一個中性的Higgs粒子質(zhì)量最低，其它的質(zhì)量比它高，甚至高一個數(shù)量級。第6頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2023/3/37多Higgs

粒子的情形幾種可能的多Higgs

粒子的情形：

H0,H’0,f0,f+,f-

H0,f0,f+,f-

H0,H’0,f0,f+,f-,f++,f--其中第一種情形中5種Higgs

粒子的質(zhì)量沒有直接的限制和約束。后2種情形中H0

的質(zhì)量較輕，其它的Higgs

粒子質(zhì)量至少要比H0大一個量級。這些重Higgs

粒子質(zhì)量很重，但衰變寬度很小，是窄寬度粒子，G/m~0.01，很小，這是有利于辨認(rèn)的特征。第7頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2023/3/38現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)上還沒有發(fā)現(xiàn)Higgs粒子，實(shí)驗(yàn)給出中性Higgs粒子質(zhì)量的下限為

m>114.4GeV,CL=95%.Higgs粒子是極不穩(wěn)定的粒子，它的衰變道很多，很難辨認(rèn)。尋找Higgs粒子參與的物理過程是新物理的表現(xiàn)。考慮到Higgs粒子的質(zhì)量很大，實(shí)驗(yàn)上尋找Higgs粒子，以及觀測Higgs粒子參與的過程，都需要很高能量的碰撞才能實(shí)現(xiàn)。在LHC上可以進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)。第8頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2023/3/39新的弱相互作用如果電弱相互作用實(shí)際上不是SU(2)xU(1)規(guī)范相互作用，而是更高對稱性的規(guī)范相互作用，這就是引入了新的弱相互作用。過去研究得較多的幾種更高對稱性的情形是：

SU(2)LxU(1)xU(1)’,增Z’SU(2)LxSU(2)RxU(1),增W+R,W-R,ZRSU(3)xU(1).增5個重規(guī)范粒子新增加的規(guī)范粒子就是新的弱相互作用的媒介粒子。由于這些新增加的規(guī)范粒子比已知的W，Z重很多，在現(xiàn)在的能量范圍內(nèi)，新的弱相互作用的效應(yīng)被弱相互作用所掩蓋，導(dǎo)致新的弱相互作用一直沒有被發(fā)現(xiàn)。第9頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2023/3/310如果有新的弱相互作用，就預(yù)言將存在并可以觀察到多個新的規(guī)范玻色子和多個新增加的Higgs粒子。但這些新的規(guī)范玻色子和Higgs粒子的質(zhì)量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的Z粒子。在高能范圍有可能觀察到新的弱相互作用的顯著物理效應(yīng)，也才有可能觀測到新的規(guī)范玻色子和新的Higgs粒子。估計(jì)在LHC上可以進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)。第10頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2023/3/311新的強(qiáng)相互作用如果存在新的還沒有觀察到的相互作用，這種相互作用可能在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)還觀察不到它的顯著效應(yīng)。這種相互作用應(yīng)該是一種比色作用更強(qiáng)的相互作用，并且應(yīng)該是一種非常短程的相互作用。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的夸克、輕子都不能直接參與這種相互作用，至少在100GeV

能量以下范圍內(nèi)不能參與這種相互作用。如果是規(guī)范相互作用，則這種相互作用是一種非Abel規(guī)范場，強(qiáng)耦合、短程。第11頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2023/3/312

過去理論上提出的彩色（technicolor）相互作用就是這種相互作用。色相互作用只有在能量在GeV量級的碰撞中才能顯現(xiàn)出來，能參與色相互作用的粒子—夸克和膠子也才能在碰撞中產(chǎn)生和被觀察到?？梢灶A(yù)期，新的強(qiáng)相互作用只有在TeV量級或更高能量的碰撞中才能顯現(xiàn)出來，也只有在這能量下新的強(qiáng)相互作用的媒介粒子才能產(chǎn)生和被觀察到。第12頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2023/3/313在GeV量級的碰撞中產(chǎn)生正反夸克對和膠子是以強(qiáng)子噴注的形式被觀測到的，夸克和反夸克表現(xiàn)為噴注，膠子則表現(xiàn)為一個胖噴注。類比之下，可以預(yù)期，在TeV量級的碰撞中產(chǎn)生具有新的強(qiáng)相互作用能力的新粒子和新的強(qiáng)相互作用的媒介粒子也將以某種形式的超噴注出現(xiàn)。期望在LHC的實(shí)驗(yàn)中能觀測到。第13頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2023/3/314超對稱性微觀物質(zhì)世界具有新的對稱性，這種對稱性現(xiàn)在還沒有被觀察到，很可能是一種已經(jīng)破缺了的對稱性?，F(xiàn)在研究得比較多的是超對稱性。如果微觀世界具有超對稱性，按照超對稱標(biāo)準(zhǔn)模型，所有的粒子，包括規(guī)范粒子，都有它的超對稱配偶。并且Higgs

粒子的數(shù)量也將大大增加。這樣微觀世界的粒子至少比標(biāo)準(zhǔn)模型中有的增加一倍。由于超對稱性在很高能量就已經(jīng)破缺，所有這些超對稱配偶粒子可能都具有很重的質(zhì)量，很可能都在100GeV以上。第14頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2023/3/315按照最小超對稱標(biāo)準(zhǔn)模型，還應(yīng)該存在的超對稱性配偶粒子有：光微子、6種帶電微子、6種中性微子、8種膠微子、6種標(biāo)量輕子、6種標(biāo)量反輕子、18種標(biāo)量夸克、18種標(biāo)量反夸克。它們都應(yīng)有很重的質(zhì)量，可以在高能碰撞中產(chǎn)生。這些配偶粒子的性質(zhì)和運(yùn)動行為都是已知的，并且它們可以互相轉(zhuǎn)化，很可能最輕的配偶粒子是穩(wěn)定的，如果是這樣，可能自然界存在很重的穩(wěn)定粒子。第15頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2023/3/316宇宙線物理和宇宙學(xué)給出的啟示1972年云南宇宙線站觀測到一個長壽命的帶電重粒子C+，這個新的帶電重粒子的性質(zhì)為：質(zhì)量m>43GeV；壽命t>0.406x10-9sec.如果它不穩(wěn)定，可以衰變成中性的C0，C0

的質(zhì)量m>42.7GeV。如果C+

和C0

確實(shí)存在，都不是標(biāo)準(zhǔn)模型要求存在的粒子，也不是標(biāo)準(zhǔn)模型粒子組成的復(fù)合粒子，都是超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子。第16頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2023/3/3171979年Kolar金礦礦井實(shí)驗(yàn)中觀察到一個“雙芯”事例，表現(xiàn)為兩個能量分別為100GeV和80GeV的簇射，它們之間的夾角是26度。如果這事例是來自一個重粒子的衰變，則這個重粒子的質(zhì)量的下限是40.2GeV。如果這事例是來自一個粒子和核子的碰撞，不先驗(yàn)地假定是由零質(zhì)量的中微子引起的反應(yīng)，則定出這個入射粒子質(zhì)量的下限是35.8GeV。這實(shí)驗(yàn)也表明可能有長壽命或穩(wěn)定的中的帶電的或中性的粒子存在，其質(zhì)量也至少是質(zhì)子的數(shù)十倍以上。第17頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2023/3/3181980年巴西-日本組在超高能宇宙線實(shí)驗(yàn)中觀測到“Centauro”事例，1984年帕米爾協(xié)作組也在超高能宇宙線觀測中觀測到“Centauro”事例。這種事例入射粒子能量很高，碰撞產(chǎn)生的次級粒子不多，能量很大，例如有一個事例中次級粒子能量和為7x1014eV。但是在次級粒子中沒有光子、p0

介子、h

介子。Centauro事例是很奇特的現(xiàn)象，不能用粒子物理和核物理中的各種碰撞模型來解釋，也很難以在標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上理解和解釋。第18頁，共20頁，2023年，2月20日，星期四2023/3/31