揭示自然界对称性和物理规律

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,探索物质深层次结构和宇宙极早期演化,揭示自然界的对称性和物理规律,(Yue-Liang Wu),(ITP-CAS),2008.4.15,1,主要内容,对称原理与物理规律,自然界中的对称性,物理学中的对称性,粒子物理中的对称性,CP,对称性和,CP,破坏,研究,CP,破坏的重要性和科学意义,重要的科学问题、理论预言和实验验证,CP,破坏位相的起源 、新的物理唯象,粒子物理和宇宙学,粒子物理和宇宙学面临的挑战,实验上的挑战 （,LHC,，,BEPCII/CLEOC, Planck,，,),对称原理和统一理论,最大对称化的最小统一模型,(MSMUM),自然界最基本问题的探讨,总论和展望、统一和呈展,爱因斯坦和,统一场论的探索,2,一、对称,原理与物理规律,杨振宁教授：,“二十世纪物理学的,主旋律是：量子化、对称性和相因子”,李政道教授,:,“,二十一世纪物理学的,挑战是：夸克禁闭，对称和对称破缺”,周光召教授,:,“,对称性和对称破缺是世界统一性和多样性的根源 ”,3,自然界中出现的对称,自然界充满了各种对称性,例如：许多动物的左右对称性、太阳的转动对称性、海星的五重对称性、雪花的六重对称性、,4,日常生活中呈现的左右对称性,泰姬陵,5,生命起源：对称破缺的,DNA,在生命起源过程中，,左右镜像对称破缺,.,6,艺术上：对称破缺美的代表作,7,物理学中的对称性,（,Oxford Dictionary of Physics),对称性是指一个系统的一组不变性,(The set of invariances of a system),数学上，利用群论来研究对称性。,自然界的许多对称性本身就是物理的，例如分子的转动与反射、晶格的平移。,对称性可以是分离的（具有有限的数目）,例如：八面体分子的转动，,也可以是连续的（具有无限的数目）,例如,:,原子或核子的转动。,对称性可以是更一般的和抽象的，例如：,CPT,不变性（ 粒子,-,反粒子变换、左右镜像变换和时间反演对称性），以及与规范理论相关的对称性,8,对称性的性质,物理学的重要任务之一,：,揭示宇宙世界所具有的各种类型的对称性,对称性的分类：,空间对称性：,对空间性质进行变换所对应的对称性,时间对称性,： 对时间性质进行变换所对应的对称性,内部对称性,：与时间和空间相独立的变换所体现的,对称性,内部对称性：,整体对称性和局域对称性,9,对称破缺,(,Oxford Dictionary of Physics),对称性破缺是指：一个多体系统的基态或相对论量子场论的真空态所具有的对称性比定义这个体系的拉格朗日量或哈密顿量所具有的对称性小的情形。,在固体物理中，抗铁磁性和超导就是例子,在粒子物理中，电弱统一模型是相对论量子场论中对称性破缺的重要例子,10,对称破缺与,Goldstone,定理,(,Oxford Dictionary of Physics),与对称性破缺相关的一个结论是,Goldstone,定理：它是指在具有连续对称性破缺的相对论量子场论中必然存在无质量的粒子,Goldstone,玻色子。,在固体理论中，,Goldstone,玻色子是集团激发。,规范对称性的破缺是,Goldstone,定理的一个例外， 例如：电弱统一模型中的,Goldstone,玻色子成为有质量的玻色子，即：,Higgs,玻色子。,在多体理论中，长程力也给出一个类似的不同于,Goldstone,定理的例子，,Higgs,玻色子是一个非零能隙的激发。,Goldstone,定理当时是在,Gell-Mann,Levy,、周光召,1960,年,提出,PCAC,（轴矢量流部分守恒）后，对赝标量, 介子的,特殊性质研究中， 于,1961,年提出的一个重要定理,11,( = High Energy Physics,高能物理,= Quantum Field Theory,量子场论,),Elementary Particle Physics,基本粒子物理,Quantum,Mechanics,量子力学,Special,Relativity,相对论,+,=,tHooft,粒子物理学中的对称性,Symmetry,对称性,+,12,粒子物理学中的对称性,在粒子物理学中，可以说，,对称性决定了相互作用,爱因斯坦的狭义相对论,：由,Poincare,群,结构所决定的,描述时间与空间对称性的理论。时间延缓与,长度收缩可以由对称性和四维不变量来理解,粒子物理标准模型：,四种基本力由规范对称性决定,U(1) x SU(2) x SU(3) x SO(1,3),确定了对称群与相互作用的强度以后，,力的所有的行为特征基本就确定了。,电磁相互作用：,U(1),对称性决定的规范理论,.U(1),对称,性可想象为一个在平面上转动的圆的对称性,13,对称性与守恒律,对称性导致守恒律,如：为何过去和现在事物运动的规律是相同的，那是因为运动规律在时间平移的变动中能够保持不变，也就是它具有时间平移的对称性。,时间平移对称性导致能量守恒定律,。,守恒定律在物理中占有非常重要的位置,很长时间内物理学家认为对称性和守恒定律是最美的，也是绝对的，不会受到破坏。自然界出现的非对称现象不反应事物运动的基本规律,14,大统一理论的对称性,根据对称原理，构造具有更大对称性的统一理论 ：,SU(5),、,SO(10),、,最近理论研究发现，世界的基本结构和相互作用可能都来源于某种高维时空的局域对称性,15,粒子物理中的对称破坏,左右镜向对称（宇称）破坏,：,1956,年，李政道和杨振宁发现在微观世界中，左右镜向对称遭到弱相互作用的破坏，科学界才认识到，一些基本规律在一定条件下也存在对称破缺。,弱相互作用 的,SU(2)_L,对称性自发破缺：,粒子物理弱电统一模型中，中间玻色子、夸克和轻子质量的起源、夸克之间混合的起源；没有对称破缺，宇宙到处充满了无质量的以光速运动的粒子。世界会变得很单调。,面临的挑战之一：,但模型预言的,Higgs,粒子还没有找到，对称破缺机制并没有得到验证，成为粒子物理研究的重要方向。欧洲日内瓦建造,LHC,对撞机的主要目的之一。,16,QCD,动力学自发对称破缺,Y.B. Dai and Y-L. Wu,Euro. Phys. J. C 39 s1,(,2004),17,QCD,手征动力学对称破坏,强相互作用中 近似整体对称性,SU(3)_L x SU(3)_R,：,上夸克质量 （,up-quark) m_u 5 MeV,下夸克质量,(down-quark,),m_d 7 MeV,质子质量,(p uud ) : m_p 980 MeV, 2m_u + m_d 17 MeV,中子质量,(n udd ),：,m_n 980 MeV, m_u + 2m_d 19 MeV,动力学自发破缺：夸克凝聚,动力学夸克质量：,m_u m_d m_q 320 MeV,m_p,m_n,3 m_q,980 MeV,18,二、,CP,对称性和对称破缺,CP,对称性即：正粒子反粒子、左右镜像反演的对称性,它涉及到空间和物质的基本对称性,CP,对称性和破缺,一直是粒子物理学家探索自然界基本规律的前沿领域,反粒子,粒子,右手性,左手性,通过,CP,变换相互转换,正反粒子和左右镜像,19,CP,对称性和对称破缺,1957,年，李政道杨振宁发现,中性,K,0,介子衰变的弱相互作用的,宇称,(P),反演,对称性破坏,，获,诺贝尔,物理奖,这样的间接,CP,破坏既可以由,弱相互作用引起，,也可由,新的超弱相互作用,(,super weak interaction,）引起。,1964,年,Cronin,和,Fitch,由于发现了,CP,（,正粒子反,粒子、左右镜像反演的联合对称性）破坏，而荣获,1980,年的诺贝尔物理奖。,而,Cronin,和,Fitch,所发现的,CP,破坏是由中性,K,0,介子和它的反粒子之间的混合所,引起的，通常被称为,间接,CP,破坏,（用,描述）,20,宇宙演化,大爆炸,物质,反物质,为何当今的世界只有物质？,CP,对称原理要求,物质数量,=,反物质数量,表明,CP,对称在大爆炸过程中破缺,21,研究,CP,破坏的重要意义,不同的夸克和轻子用,“,味,”,量子数,来描述，由六味夸克和六味轻子作为物质的基本组元而建立的,粒子物理标准模型,被称为二十世纪理论物理最重要的成就之一。,但模型中的,CP,破坏,是人为地放进去的,，它的起源并不清楚。,怎样才能区分,CP,破坏是由,弱相互作用还是由第五种超弱,相互作用引起，成为粒子物理研究的重大课题,CP,破坏作为解释宇宙中物质,-,反物质不对称的一个必要,条件,但研究发现，标准模型中的,CP,破坏不足以解释宇,宙中观察到的物质,-,反物质不对称，需要新的,CP,源。,这,使得,CP,破坏一直成为粒子物理标准模型中没有解决的谜,22,重要的科学问题,成为粒子物理最重要的前沿研究方向,检验标准模型中的,CP,破坏,理解,CP,破坏的起源和机制,寻找,CP,破坏的新的源,扩展粒子物理标准模型、探讨新的味物理,精确地计算物理过程中涉及到的基本理论参数,发展,能处理量子色动力学（,QCD,）非微扰效应的新方法,23,直接,CP,破坏的科学意义,为区分弱相互作用与第五种超弱相互作用，必须测量由衰变振幅引起的,直接,CP,破坏，,用比值,/,来描述，在超弱相互作用模型中,/,0,，,而在弱相互作用模型中,/,0,。,测量和计算这个比值,/,不仅对研究,直接,CP,破坏,有着重要意义，而且它对探索自然界,新的作用力和理论，,以及,CP,破坏的起源,起着关键性的作用。,24,探测,CP,破坏的重要实验,从,1964,年后，实验和理论物理学家开始致力于对,直 接,CP,破坏,进行研究。在欧洲和美国专门建立了,两个,K-,介子工厂,(,欧洲日内瓦核子中心,美国费 米国家实验室， 为提高精,度，从九十年代初，两个,K-,介子工厂还都进行过一次新的,彻底的改造）,在粒子物理发展史上，很少为探测一个物理现象专门建造,这么多大型实验装置,并坚持,几十年的研究,。实验精度达,到了,千万分之一,。由此不难看出,研究,CP,破坏的重要性,目前正在运行的美国和日本,两个,B-,介子工厂,， 继续对,B,介,子衰变中,CP,破坏进行研究。,25,理论上遇到的,原理性困难,难题之一,:,量子色动力学的,微扰和非微扰计算之间的匹配问题。,因如果这个问题不解决，理论预言的结果将依赖于,一个任意能量标度 。,难题之二,:,奇异夸克质量的不确定性，,它可导致直接,CP,破坏,/,的结果在数值上达,2,倍以上的不确定性。,难题之三,:,任何理论如果要对直接,CP,破坏,/,给出,可信,和自洽的理论预言，,它必须同时能解释,I=1/2,同位旋选择规则,。因直接,CP,破坏与,I=1/2,规则,涉及到同样的强子矩阵元,26,难题的解决,引进新的函数切断正规化方法，,解决了微扰与非微扰之间匹配的难题。,论证一组,手征代数关系,在量子手征圈图修正下仍然成立。这组关系把直接,CP,破坏与,I=1/2,规则联系起来。,消除理论预言中所有可能的大的不确定性,27,直接,CP,破坏的理论预言和实验结果,2001,年对直接,CP,破坏给出的更精确的预言,（,2045,）,10,-4,(,Y.L. Wu Phys. Rev. D64: 016001,2001),2002,2003,年美国费米国家实验室,KTeV,组和欧洲,日内瓦,NA48,组的实验结果,（,20.72.8,）,10,-4,(KTeV Collab. Phys. Rev. D67: 012005,2003),（,14.72.2,）,10,-4,(NA48 Collab. Phys. Lett. B544: 97,2002),28,摘自总结评论性论文,S. Bertolini, “Theory Status of,/,”,Frascati Phys.Ser.28 275-290,（,2002,）,“,北京组,”,理论与实验比较,29,自然地,解释了,I,1/2,同位旋选择规则这个曾困扰了粒子物理学家近,半个多世纪,的不解之谜。,I,1/2,同位旋选择规则之谜的解释,实验结果,30,科学上的重要意义,实验上,第一次确立了自然界中直接,CP,破坏的存在,理论上,表明它可由标准模型中,CP,破坏,机制来解释,科学上，,排除了第五种,“,超弱相互作,用力,”,理论,31,CP,破坏位相的起源,新的,CP,破坏源、新的物理唯象,而要实现,CP,对称性自发破缺,至少需要两个黑格斯二重态,但基于标准模型创立者格拉肖和温伯格,1977,提出的自然味守恒假设,CP,自发破缺模型一直未能取得重要突破,CP,对称性自发破缺,标准模型的重大突破之一是引进由单个黑格斯二重态引起的,对称自发破缺机制,使规范粒子,夸克和轻子得到质量,.,32,CP,对称性自发破缺的新物理模型,以,CP,对称性自发破缺的想法作为主要动机，放弃自然味守恒假设,完整地建立,CP,对称性自发破缺的双黑格斯二重态模型。,发现当真空自发破缺后，每个夸克和轻子不仅得到质量，还都得到一个物理的,CP,破坏位相，由两个真空态的相对位相引起,此模型具有非常丰富的,CP,破坏源,不仅解释了标准模型中,CP,破坏的起源,， 还发现了一类重要的,新的,CP,破坏源。,导致,许多,新的物理唯象,可在精度高的实验上进行检验,.,Y.L. Wu & L. Wolfenstein Phys. Rev. Lett. 73, 1762, 94,Y.L.Wu & Y.F.Zhou Phys. Rev.,D64:,115018, 2001;,夸克和轻子除了质量和自旋量子数外,多了,CP,位相量子数,此模型已成为标准模型以外一个简单，并具吸引力的新物,理模型,被称为,模型,III 2HDM,。,33,新物理唯象,一、,中子和电子的电耦极矩,中性,D-D,B,s,-B,s,介子混合和,CP,破坏,B,介子辐射衰变和稀有衰变等,这,给实验物理学家,寻找新物理提供必要的理论依据。可在更精确的实验上得,到验证，如在超级,-B,工厂或,LHCb,等实验上进行检验。,二、,S2HDM,模型中,新的,CP,破坏源和相互作用,可很好地用,来解释最近由美国布鲁克海文国家实验室,（,Brookhaven,）,所观测到的,子反常磁矩,与标准模型中的偏差,三、,S2HDM,模型,可导致,味改变的轻子过程,e,，,，,并,接近现有实验精度范围,。,34,粒子物理和宇宙学,随着对探索物质深层次结构和宇宙大尺度演化的实验和理论研究的不断深入，粒子物理和宇宙学两者看起来似乎是两个独立的前沿学科，而实际上已成为同一个科学问题的两个不同侧面。,它们正发展成为多学科交叉、即将微观、宏观与宇观世界的研究结合起来的一个重要的前沿学科。,35,早期宇宙：,极端高能量密度状态,微观世界,36,规范相互作用,U(1)xSU(2)xSU(3) SO(1,3)xGL(1,3,）,夸克禁闭之谜,QCD,非微扰效应,费米标量相互作用,味物理之谜,CP,破坏,质量起源,标量场作用势,对称自发破缺之谜,引力相互作用,引力量子化,暗能量和,暗物质之谜,真空相互作用,能量标度之谜,粒子物理标准模型面临的挑战,37,Universe,宇宙,Matter,物质,30,Dark Energy,暗能量,70,Dark Matter,暗物质,90%,H (77%),Quark Matter,夸克物质,10%,He (23%),宇宙组份,宇宙学模型：,以,大爆炸宇宙学标准模型,为基础的,暴涨,暗能量,暗物质,夸克物质,大爆炸,暴涨,宇宙学标准模型面临的挑战,38,粒子理论,量子场论,引力理论,广义相对论,统一理论,超弦理论,物质结构,宇宙演化,三个基本理论是研究物质深层次结构和宇宙大尺度演化的基础，任何新理论都必须同时受到高能实验和宇宙观测的检验,39,粒子物理两个主要研究方向及与宇宙学的联系,一、 规范相互作用,1,、,QCD,的低能动力学和夸克禁闭,(,夸克物质,/,中子星,),2,、量子引力和统一理论,(,早期宇宙起源,/,暴涨宇宙,),二、 对称破缺和味物理,1,、电弱对称破缺机制和,Higgs,粒子,2,、超出标准模型的新物理,（,1,）粒子质量起源和,CP,破坏,（,物质,-,反物质不对称）,（,2,）,TeV,物理和新粒子,（超对称,/,镜像粒子,/,暗物质等）,（,3,）中微子的特殊性质,（电中性,/,小质量,/,大混合）,（,4,）夸克轻子代数之谜,（,味对称性和味动力学）,（,5,）规范等级、能量标度和真空态,（暗能量等）,40,研究目标,在精确检验粒子物理和宇宙学标准模型的基础上,发展超越粒子物理和宇宙学标准模型的新理论模型,探索物质深层次结构和宇宙极早期演化的物理规律,揭示极小粒子与极大宇宙间的内在联系和统一规律,41,实验上的挑战 （一）,在西欧核子中心（,CERN,）总造价近,80,亿美元的大型强子对撞机,LHC,即将正式投入运行。中国也已经正式参加了,LHC,国际合作，我国科技部、国家自然基金委员会和科学院向,LHC,项目投入了约四千万人民币作为第一期科研经费。,LHC,有望揭开粒子物理标准模型电弱规范对称性破缺机制和基本粒子质量起源之谜。对人类认识物质起源和早期宇宙状态将产生划时代的影响。,在北京的,BEPCII,和美国的,CLEOC,以及日本和美国的两个,B,介子工厂等也将会进一步精确检验和发展粒子物理标准模型。,42,实验上的挑战（二）,欧洲也将在,2008,年发射,Planck,空间卫星实验，进行精确宇宙学研究：,对宇宙学基本参数进行精确测量（如哈勃常数等）,对宇宙背景辐射的不均匀性和结构振幅做精确测量,对早期宇宙暴涨模型进行检验并探测暗物质的性质,因此，,Planck,空间实验将帮助人类回答现代科学遇到的一个基本问题， 即：宇宙的早期起源，宇宙现在的状态和星系形成，宇宙演化的将来。,43,1,、,LHC,（,Large Hadron Collision),对撞机,实验,检验电弱对称破缺机制,探测超对称粒子,2,、,(,超级,),B,介子工厂,(,运行和改进）,探测,CP,破坏和新物理,3,、,ILC,(International Linear Collider),对撞机,实验,(,设计,),高精度,探测新物理,4,、,中微子实验,(,运行和建立,),SuperK,K2K,，,KamLand,，,DayaBay,5,、,精密实验检验对称性破坏（运行和建立）,轻子数破坏（,LFV,2,）、时间反演破坏（,EDM),、,重子数破坏（,BNV,）、,实验进展现状,44,6,、标准模型精确测量实验,BEPCII,、,CLEO_C,、,RICH,、,LHCb,、,7,、暗能量和暗物质,CMB,实验,：,包括,WMAP,进一步的观测以及,Planck,实验将精度进一步提高,(2007),Supernovae,实验,SNAP,实验预期对暗能量的观测能提高几倍,LAMOST,实验,8,、引力实验,引力波探测：,LIGO,（地面）、,LISA,（空间）,爱因斯坦广义相对论的检验,9,、,宇宙线实验 （包括羊八井实验）,宇宙线起源、,射线爆、中微子爆、,45,三、对称原理和统一理论,动机和想法（,Motivation,）,最大对称化的最小统一模型,(MSMUM),自然界最基本问题的探讨,46,动机和想法,什么是自然界最基本的组元？,什么是自然界最基本的对称性？,什么是自然界最基本的力？,为什么我们生活的时空是四维的,为什么我们生存的物质世界宇称是破坏的,47,动机和想法,为什么只有三代夸克,-,轻子？,质子的稳定性如何？,中微子的绝对质量到底多大？,Dirac or Majorana,CP,破坏的起源是什么？,暗物质粒子是什么？,暗能量的本质是什么？,48,统一理论探索,From Bottom to Up,(,从下往上,),Observation Symmetry,观测,对称性,Phen. Model Theory,唯象 模型 理论,49,粒子理论,标准模型,U(1)xSU(2)xSU(3),U(1),SU(2),SU(3),tHooft,50,统一理论探索,From Top to Down,(,从上往下,),Hypothesis Consistency,原理,假设 自洽性,Theory Model Phen.,理论 模型 唯象,51,o,o,o,o,String Theory,弦理论,52,自洽的统一理论,从上往下,从下往上,理论 模型 唯象,53,统一理论：自下往上的构造,Standard Model,标准模型,在,100GeV,的能标被检验,基本组成,:,夸克和轻子,基本对称性,：,U(1) x SU(2) x SU(3)x SO(1,3),基本的力 ：,电磁相互作用,弱相互作用和强相互作用,引力相互作用,宇称反演：,宇称不守恒,(,实验,);,左手,54,渐近自由,SU(3)-,夸克禁闭,重整性,可重整理论,一些重要的性质,跑动的耦合常数（随能量）,在高能标时,(,即在空间尺度很短时,),，所有的相互作用力,的大小变得几乎相同,大统一理论,(GUTs),最小大统一理论,:,SU(5),加上右手中微子,:,SO(10),55,力如何依赖于路程,?,Weak:,Strong:,Strong,EM,Weak,x,F,Electro-magnetic:,tHooft,56,The Highway through the desert,Todays,Limit ,GUTs,Planck length :,The first Black Holes,57,进一步的统一,SU,(4),SU,(2),SU,(2),Parti-Salam,SO,(10),Georgi-Glashow,3 Families,SO(1,3,）,U(3),SU(32) or SO,(32),YLWu,58,一些重要的性质,质子衰变,几乎排除了,SU(5),对,SO(10),给出很强的限制,在标准模型和大统一理论中,对称性意味着什么？,使基本粒子夸克和轻子的不同,量子数之间,建立某种,关联,，从而引入对称性,59,一些重要的性质,标准模型中的对称性,SU(2)_L:,夸克和轻子的,2,个,同位旋,量子数,SU(3)_C:,夸克的,3,个,色,量子数,SO(1,3) :,2,个,自旋,量子数,&,2,个,手征螺旋,量子数,大统一理论,SO(10),模型中的对称性,:,把,同位旋色轻子,量子数统一起来描述,60,量子时空,把所有的量子数看作是同等的,广义的,Lorentz,对称性,SO(1,3) x SO(10),14,维 的量子时空,维数,=,夸克和轻子的基本量子数,2-,自旋 ,2-,手征螺旋量子数, 2-,同位旋量子数,3 -,色 和,3 -,反色量子数,1 -,轻子和,1-,反轻子量子数,2 + 2 + 3 + 3 + 1+ 1 = 14,K.C. Chou and Y.L. Wu, Science in China, Series A41 324 (1998).,61,夸克,-,轻子的独立自由度,(IDF),物质基本组元的,IDF = 14,维量子时空的旋量表示,夸克和轻子有,64,个实的独立自由度,在,SM & GUTS,中,只引进了基本组元的量子数之间的对称性，而没有考虑基本组元所有独立自由度之间的对称性,SO(1,3)xSO(10),对称性,并不是一个能够把夸克和轻子所有独立自由度之间建立关联的一个可能的最大对称性。,62,最大对称化的最小统一模型,(MSMUM),基本假设：,“物质基本组元的所有独立自由度应该处在相同的位置作同等的对待和考虑 ，并应在一个最小统一机制中由一个可能的最大对称性把它们联系和统一起来 ”,Maximally Symmetric Minimal Unification,MSMU-hypothesis,平权性和统一性原理,63,哲学信念,作为自然界物质的基本组元，若我们相信自然界遵循,简单、经济和美的规律,，,那么物质基本组元,所有独立自由度的存在都应该有它的作用，且所有独立自由度之间都应该存在某种关联，而不是孤立地存在。,天生我才必有用,必须融入到社会,64,MSMU-,假设的直接推论,“,旋量费米子作为自然界的基本组元，它属于由基本量子数决定的高维量子时空的一个旋量实表示，即：它应该是所谓的,Majorana,旋量费米子,”,“当考虑宇称也是一个好的时空对称性时，作为物质基本组元的,Majorana,旋量费米子,应同时能很好地定义它的手征性”,65,推论的含义,:,量子时空的性质,量子时空应该允许其旋量表示可同时定义,Majorana,和,Weyl,旋量费米子,量子时空维数,满足这个要求的可能的量子时空维数为：,D = 2 + 4n , n=1,2, ,D = 2, 6, 10, 14, 18, 22, 26, ,MSMUM,的最小维数为？,D = 14,物质基本组元,:,14-,维量子时空上定义的,Majorana,旋量费米子,66,最大对称性,每一代,Majorana,费米子有,128=27,个,实的独立自由度,， 是标准模型中夸克和轻子的独立自由度,（,64,）,的两倍,.,可以证明，由,14-,维量子时空,的旋量表示所满足的,Majorana,条件,，当,选择恰当的旋量结构，,可自然地得到一个在,4-,维时空上有运动的,最大对称化的最小统一模型,MSMUM,，每一代基本组元的最大规范对称性为：,G = SO(1,3) x U(32),考虑到三代夸克和轻子，,10-,维时空上有运动的,最大对称化的最小统一模型,MSMUM,G,SO(1,9) x SO(32),67,最大的对称群,10-,维子空间里没有动能项，看作是一个内禀空间,10-,维量子空间里的,32,维旋量表示，在,10-,维有运动的时空理论中，发现它具有的最大对称性是：,SO(32),68,三代夸克,-,轻子之谜,根据,MSMU-,假设，三代处于同等的地位,最大的味对称性,SO(6) SU(4),SU(3) x U(1),时空结构：,M4 x K6,时空对称性：,SO(1,3) x SO(6),69,自轭米相互作用量,由,14-,维时空中的,Majorana,旋量费米子作为基本组元，,在,4-,维运动时空中的拉格朗日量可简单地写为：,构造,MSMUM,模型,70,协变导数定义为：,把对称性局域化为,4-,维时空的规范对称性,具有的,最大规范对称性,:,G= SO(1,3) x SO(6) x SO(32),71,探讨最大对称化的最小统一模型,(MSMUM),对一些基本问题的解答：,由于夸克和轻子属于,14-,维时空的,Majorana-Weyl,表示，且在,10-,维子空间里自动没有运动，这就可很自然的理解以下两个基本问题：,为什么我们生存的由夸克和轻子组成的物质世界不是左右宇称反演不变的,为什么我们生存的由夸克和轻子组成的时空,只是一个,4-,维的时空,4-,维运动时空,与,左右镜像破坏,72,镜像物质作为暗物质的候选者,MSMUM,中的费米子组元是标准模型中的两倍。,另一半称为“东向”的基本组元与“西向”的基本组元（夸克,-,轻子）互为镜像，即：镜像夸克和镜像轻子,当镜像粒子形成稳定状态的物质，且与普通物质只有很弱的相互作用，那么,稳定的镜像物质,就可以成为宇宙中暗物质的很有趣的候选者！,73,质子的稳定性,因子群,SU(16) of SO(32),在夸克和轻子之间提供了一个最大的规范对称性,.,以至于所有夸克和轻子的规范相互作用都由不同的规范玻色子来承担。即：,没有物理规范玻色子来直接参与传递质子衰变,在最大对称化的最小统一模型,(,MSMUM,）中， 质子可以是非常稳定的，这与通常的大统一理论,GUTs,的情况有所不同,74,TeV,能标物理,镜像夸克和镜像轻子的质量完全允许可以在,TeV,能标附近，可探讨在,LHC,实验上进行检测,当来自质子稳定性的限制变弱，在,MSMUM,中一些对称性破缺的能标有可能变得更低。,由于,Majorana,条件，,MSMUM,中的相互作用是自轭米的，所有的耦合常数都是实的。这要求,CP,对称性的破缺必须是自发的。,CP,对称性自发破缺,75,费米子质量的产生和中微子振荡,因,MSMUM,中的对称性是最大的，而参数又是最少的,因此,应更具有预言性,Yukawa,耦合的最小标量场包含了粒子,质量产生和,实现,see-saw,机制的最小表示,这自然地有助于从对称性破缺模式的真空结构理解夸克和轻子如何获得质量和混合，以及为什么中微子的质量如此的小。,76,对称性破缺模式,和,GUT,中一样，在,MSMUM,中，对称性破缺的方式和真空结构仍然是最重要的方面。,一个简单的对称性破缺方式：,SO(32), SU(16),77,超对称,MSMUM,当把,MSMU-,假设的原则延伸到时空对称性中去，自然地得到如下结论,最大的时空对称性必须是超对称,:,Boson,Fermion,玻色子 费米子,SUSY,MSMUM.,78,小结,给定不同的,Majonara,旋量结构 得到不同的高维时空的几何性质 导致不同的物理结果,选择旋量结构 直接描述夸克和轻子,自动导出唯一的解,:,只有,4,6-,维时空才允许有夸克和轻子的运动学项，另,10-,维子空间成为一个没有运动的内部空间,G = SO(1,3) x SO(6) x SO(32),从一个简单的假设出发，我们导出具有规范对称性的,4+6-,维,MSMUM.,79,三代基本组元的味空间与,Calabi-,丘 流形空间联系起来,可以证明，当超过一代基本组元时，将允许有在内禀味空间的运动,发现内禀味空间是,6-,维的，并具有规范对称性,SO(6) SU(4), SU(3),猜想,80,MSMUM,和超弦理论,具有,SU(3),规范对称性的,6-,维,味空间,SU(3),和乐群的,6D Calabi-,丘流形,在,4+6 =10,-,维运动时空和,10D,内部空间,的最大对称化的最小统一模型（,MSMUM,）,超弦理论：,类型,I &,杂化弦,SO(32),81,1,0,2,3,4,Graviton,Photon,The Excited States of a Quantized String,0,Spin,Open,strings,Closed,Strings,Tachyon,Tachyons,Tachyons,Super,String,x,x,x,tHooft,82,揭开味物理和暗宇宙之谜,标准模型无法理解的味物理之谜，比如：,基本粒子质量的起源和相互转化、,CP,破坏的起源、,可在具有,SU(3),和乐群的,Calabi-,丘流形上，,通过,适当的紧致化来,解释,宇宙暴涨，暗物质粒子，暗能量的本质就可由,MSMUM,的标度性质、镜像粒子、,对称破缺、真空结构等来理解。,83,统一和呈展,不难发现，建立统一理论的途径之一是寻找一种具有更大对称性的规范群。物质的基本结构和相互作用，很可能都来源于某种高维时空的局域对称性。,另一方面，无论物质科学还是生命科学，无论化学还是物理，无论粒子天体物理还是固体凝聚态物理，可以说，从极小粒子到极大宇宙，现实世界存在着各种层次的对称性和对称破缺,即各个层次以及各层次之间都可能通过对称和对称破缺的实现，呈现出各自特有的基本规律。描述这些规律的理论,统称为呈展理论,。,84,统一和呈展,由此可见，统一理论与呈展理论涵盖了各个尺度的研究领域，包括：微观粒子、介观材料、宏观天体、宇观宇宙和生命现象等各个层次物理的研究。,涉及到数理科学的各个方面，包括数理科学中的纯科学前沿问题，,交叉学科中的重大理论问题，复杂系统科学中的基本问题，极端条件下的科学问题、生命科学中的数理问题等。,85,对称和对称破缺,与对称性和对称破缺现象有密切关系的重大前沿问题包括：夸克禁闭,(,质量能隙）、电弱破缺、手征破缺、时空破缺（,CP,破坏）、物质起源、暗能量与真空破缺、暴涨场的性质、量子相变、量子临界现象、超导机理、,DNA,手性及其起源等。,显然，不管是探讨统一理论还是发展呈展理论，寻找可能的对称性和对称破缺机制已成为研究各种层次和各个尺度新理论所遵循的一个基本原理。,86,总结和展望,总之，未来的十至二十年将会是粒子物理和天体宇宙学研究,充满机遇和挑战的时代,，下一代高能加速器上要进行的实验和天文观测数据的进一步精密化为粒子物理的研究提供了新的机遇。,粒子物理和天体宇宙学面临的挑战将成为二十一世纪物理学,天空上的一团乌云,，将使得物理学新的革命在新的世纪再次爆发。,相信对物质、时空和宇宙的起源等基本问题的深入研究，将揭示新的物理性质和规律从而,获得重大突破,87,统一场论？,标度理论？,夸克禁闭？,真空结构？,量子引力？,对称破缺？,期望爱因斯坦一直追求，并拼搏了后半生，没有完成的统一场论,在二十一世纪,能在中国由我国科学家取得突破,完成统一场论,这个物理学家的共同愿望！,层次模型,暗宇宙,前景,88,谢谢！,89,