粒子物理前沿讲义课件

粒子物理前沿中科院高能所 黄涛2015.11.5.于信阳师范学院粒子物理前沿上帝粒子和标准模型中微子振荡五夸克态和XYZ暗物质、暗能量、反物质结语 发现Higgs粒子上帝粒子 1964年，比利时物理学家R.Brout和F.Englert首次提出粒子如何得到质量的理论，一个月后，英国物理学家P.Higgs也发表论文明确提出存在一个新粒子的概念。同年稍晚，G.Guralnik、C.Hagen和T.Kibble将这些概念整合成了一种更为现实的理论这就是标准模型的前身。1967年弱电统一模型建立后一直寻找Higgs粒子从低能到高能就是找不到，可标准模型必须有它存在产生质量，人们称它为”上帝粒子”直至 2012.7.CERN LHC:Higgs-like CMS 125.30.40.5 GeV ATLAS 126.00.4 0.4 GeV 2013年物理学奖授予英国物理学家P.Higgs和比利时物理学家F.Englert，以表彰他们对Higgs玻色子所做的预测(与Englert同时发表论文的R.Brout在2011年去世).Large Hadron Collider CERN A machine for EWK Symmetry Breaking2009年运行年运行ATLAS粒子物理标准模型发展粒子物理标准模型前期(1960-1966)SU(3)对称性分类,Quark model,weak interaction pheno-theory标准模型建立和发展(1967-present)1967 electro-weak standard model 1973 quantum chromodynamics标准模型成功和突破(1998-present)*弱电统一理论与描述夸克之间强相互作用的量子色动力学理论合在一起统称为粒子物理学中的标准模型理论，这是廿世纪物理学最重要的成果之一。*在标准模型中传递电磁相互作用的媒介子是光子()，传递弱相互作用的是荷电中间玻色子（W+，W-）和中性中间玻色子(Z)，传递强相互作用的是八种胶子（g）。*夸克、轻子以及传递相互作用的媒介子就是物质世界的基本单元，它们遵从的规律是标准模型理论。规范场论是构筑自然界四种基本相互作用理论的基础。粒子物理标准模型Nobel物理奖 Theory(5)1979 Nobel物理奖Glashow-Weinberg-Salam规范场论统一弱、电相互作用(1961,1967)1999 Nobel物理奖 tHooft-Veltmen非 阿贝尔规范场重整化（1979）2004 Nobel物理奖1973年 Gross-Wilczek-Politzer奠定了量子色动力学理论基础。(1973 QCD渐近自由性质)2008 Nobel物理奖Nambu-Kobayashi-Maskawa）对称性破 缺起源的发现(1960,1973)2013 Nobel物理奖Englert-Higgs预 言了Higgs粒子(1964)Experiment(5)1990 Nobel物理奖Friedman,Kendall,Taylor 发现夸克存 在的第一个实验证明(1967-1968)1976 Nobel物理奖Richter&丁肇中发现 了新粒子J/(1974)c quark1995 Nobel物理奖Perl及发现了轻子 雷恩斯与C.考温首次成功地观察到电 子反中微子(1975)1984 Nobel物理奖Rubbia和Simon van der Meer 中间玻色子的发现 WZ(1983)1988 Lederman,Schwartz和 Steinberger 中微子对称结构1984年诺贝尔物理学奖授予瑞士日内瓦欧洲核子研究中心（CERN）Carlo Rubbia和Simon van der Meer1972年t Hooft和Veltman提出维数正规化方法证明了非阿贝尔规范场论采用维数正规化方法可以保持理论的规范不变性和洛仑兹不变性使得理论可重整化。这样非阿贝尔规范理论才能有效地计算微扰论的高阶修正结果。诺贝尔物理学奖19012015年获奖109届 粒子物理和核物理占了物理学的1/2，凝聚态物理占了物理学的1/3左右，其他物理合起来占了物理学的1/6左右。检验、发展标准模型和寻找新物理 从实验和理论上改善精度检验标准模型 上帝粒子性貭 夸克禁闭 质量起源标准模型并不是基本理论而是更深层次(新能标)动力学规律下的有效理论。探索物质结构面临的两大挑战：对称性破缺的本质和夸克囚禁。概括起来说，探索物质结构正向三个方向发展：1.向超高能量发展，例如西欧中心的LHC和 未来的CEPC,ILC；2.向高精度发展，例如Super-B工厂、Super-粲工厂;3.宇宙学前沿，向地下和天上发展等。这 三大前沿方向的发展相辅相成，目标在于深入研究现今这一层次的夸克、轻子以及相互作用的运动规律 中微子振荡2002 Nobel物理奖:Davis、小柴昌俊(Koshiba)和贾科尼测量了宇宙中中微子。2015 Nobel物理奖:Kajita和McDonald获奖。发现了中微子振荡，表明中微子具有质量。2015年诺贝尔物理学奖日本科学家Takaaki Kajita和加拿大科学家Arthur B.McDonald获奖。获奖理由是“发现了中微子振荡，表明中微子具有质量。”Takaaki Kajita在超级神冈探测器（Super-Kamiokande detector）上的发现：大气中的中微子会在两种状态之间转换。Arthur B.McDonald通过实验发现，太阳中的中微子消失是因为转换到到另一种状态的中微子。三代轻子2002年度诺贝尔物理奖授予美国科学家Davis、日本科学家小柴昌俊(Masatoshi Koshiba)和美国科学家里卡多-贾科尼。1968年，美国戴维斯发现太阳中微子失踪，1998年日本神岗实验和美国IMB实验观测到超新星中微子。Sin 13=0.092 0.016(stat)0.005(syst)发现13不为零，等价于发现新的中微子振荡模式信号显著性为5.2倍标准偏差：振荡不存在的概率为一千万分之一udcstbem mt tn nen nm mn nt t电荷电荷+2/3-1/30-1夸克夸克(q)轻子轻子(l)“基本基本”粒子粒子 从轻到重mu=1.5-4.5 MeVmd=5-8.5 MeVms=80-155 MeVmc=1.0-1.4 GeVmb=4.0-4.5 GeVmt=174GeV质量起源困扰 标准模型并不是基本理论而是更深层次(新能标)动力学规律下的有效理论。在标准模型中，不仅中间玻色子的质量是通过对称性破缺获得的，而且夸克和轻子的质量也是通过引入Higgs场汤川型耦合给出的。然而轻子和夸克的质量谱从电子伏特(eV)一直到180GeV(1GeV=10 eV)，可以相差11个数量级，即使同一层次的夸克也从几MeV到180GeV，相差上万倍，其质量的起源困扰着高能物理学家们。这样宽广的质量谱很可能反映了有更深层次的物质结构。Quark model&Pentaquark states六十年代 发现了大量强子态，1960 反粒子发现,王淦昌等。1961 SU(3)八重态方案，对称性分类。Neeman,Gell-Mann 1964 -发现 1964年 Gell-Mann提出Quark model。1965-66 层子模型。深层次物质结构是由什么組成的？Quark model质量公式预言 m-1670 MeV 实验 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-+0*-*+(ddd)(udd)(uud)(uuu)(dds)(uds)(uus)*-*0(uss)(dss)-自旋为00=uu-dd2 自旋为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 model1974 Richter&Ting c-quarkPentequark state and heavy flavor at LHC,2015X、Y、Z particlesIV.暗物质、暗能量、反物质 23%是非重子的暗物质 72%的暗能量。粒子物理学家也正在与宇宙学家和天体物理学家联手从天文观测和宇宙演化中发展新观念和新理论。SmootMather发现宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性 2006年诺贝尔物理奖授予宇宙微波背景辐射的各向异性，因为现代宇宙学的观测已经为粒子物理的发展奠定了全新的方向。WMAP宇宙微波背景呈现的各向异性 宇宙是平坦的并在加速膨胀，强有力地支持了“暴涨+暗物质+暗能量”的宇宙模型。暗物质和暗能量暗物质和暗能量lStars and galaxies are only 0.5%lNeutrinos are 0.3 1%lRest of ordinary matter(electrons and protons)are 5%lDark Matter 23%lDark Energy 72%lAnti-Matter 0%迄今为止，粒子物理学仅能解释宇宙中物质的迄今为止，粒子物理学仅能解释宇宙中物质的百分之几。百分之几。暗能量和暗物质的探索和物理解释是对暗能量和暗物质的探索和物理解释是对21世世纪粒子物理学最严峻的挑战！纪粒子物理学最严峻的挑战！占宇宙大部分的暗能量的本质是什么？23%是非重子的暗物质 72%的暗能量。粒子物理学家也正在与宇宙学家和天体物理学家联手从天文观测和宇宙演化中发展新观念和新理论。暗物质l李政道教授：“暗物质是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学的最大乌云，它将预示着物理学的又一次革命。”l在四川锦屏山地面以下2400米处，这里建立了世界上最深的实验室。l早期宇宙处于高度对称状态，粒子数和反粒子数相等遵从电荷共轭对称性l物质与反物质不对称 (6.1)10-10 l小林和益川机制给出的CP破坏的起源给出的正反物质不对称远远小于10-10。寻找新的CP破坏机制是粒子物理学和宇宙学的重要课题。l2011年年Nobel物理学奖颁发给了三位利用物理学奖颁发给了三位利用高红移超新星研究从观测上给出了宇宙高红移超新星研究从观测上给出了宇宙加速膨胀证据的科学家，他们是来自加加速膨胀证据的科学家，他们是来自加州大学伯克利分校的州大学伯克利分校的Saul Perlmutter,来来自澳大利亚国立大学的天文学与天体物自澳大利亚国立大学的天文学与天体物理学研究中心的理学研究中心的Brian Schmidt和来自美和来自美国约翰国约翰-霍普金斯大学的霍普金斯大学的Adam Riess自然界三大难题l物质结构l宇宙演化l生命起源 l 粒子物理学粒子物理学21世纪面临许多挑战：世纪面临许多挑战：标准模型：夸克禁闭，质量起源 寻找新物理.宇宙:暗物质,暗能量,反物质.l 三大前沿三大前沿 超高能量：LHC,Higgs factory,ILC.超高精度：Super-B,Super-Tau-C,.宇宙学前沿：天上、地下 结语 谢谢！