粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型和nobel物理獎(jiǎng)--中國(guó)高能物理研究所--黃濤研究員

1、粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型和Nobel物理獎(jiǎng),中科院高能所 黃濤2013.11.18.于中國(guó)科技大學(xué),諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),1901—2013年獲獎(jiǎng)107屆,*粒子物理在物理學(xué)中領(lǐng)先 占了物理學(xué)>1/3~40%*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。,粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型Nobel物理獎(jiǎng),Theory(5)1979 Nobel物理獎(jiǎng)Gl

2、ashow-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) t’Hooft-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-Maskaw

3、a）對(duì)稱性破 缺起源的發(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/Ψ (1974 )

4、 c quark1995 Nobel物理獎(jiǎng)Perl及發(fā)現(xiàn)了τ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 Lederman, Schwartz和 Steinberger 中微子對(duì)稱結(jié)構(gòu)2002 Nobel物理獎(jiǎng)Davis、小柴昌俊(Koshiba)和賈科尼中微子

5、振蕩（（1998）,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 , 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

6、-present),I. 粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型前期(1960-1966),強(qiáng)相互作用:六十年代 發(fā)現(xiàn)了大量強(qiáng)子態(tài)， 1960 PCAC Nambu, Gell-Mann-Levy 。 1961 SU(3) 八重態(tài)方案，對(duì)稱性分類。 Neeman,Gell-Mann 1964年 Gell-Mann-Zweig提出Quark Quark model。 1964

7、 Ω 發(fā)現(xiàn), CP Violation,霍夫斯塔特 ,穆斯堡爾,質(zhì)子、中子等強(qiáng)子是由三種夸克 (u、d、s)組成,質(zhì)量公式預(yù)言 m?-? 1670 MeV 實(shí)驗(yàn) m?-? 1672.45 ?0.29 MeV,s,I3,K+(u?s),K0(d?s),?-(?u d),?+(u?d),K-(s?u),?,?0,?K0(s?d),,,s,I3,K*+,K*0,?-

8、,K*-,?+,?K*0,?0,,,,?,?,自旋為0,,,?0 =,u?u-d?d,,?2,自旋為1,,,Weak interaction,低能四Femi子普適弱作用(V-A)型理論 ?中間玻色子W(100GeV)Nambo Spontanteous symmetry breakingQuark model?Quark current, current algebraCabibbo angle, Gla

9、show SU(2)xU(1) modelGIM mechanism?introducing c quark,非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)論,40年代末、50年代初建立量子電動(dòng)力學(xué)--Abel規(guī)范場(chǎng)論。楊振寧和R.L.Mills在1954年提出的非阿貝耳規(guī)范場(chǎng)論是量子場(chǎng)論的一個(gè)重要進(jìn)展。規(guī)范場(chǎng)論具有定域的對(duì)稱性，即當(dāng)場(chǎng)的變換群的參數(shù)依賴于時(shí)空坐標(biāo) ,t時(shí)(各時(shí)空點(diǎn)的場(chǎng)作不同的變換)，場(chǎng)的方程和所有物理量都保持不變。,II. 標(biāo)準(zhǔn)模型建立和發(fā)展(1

10、967---),*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(γ)，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

11、然界四種基本相互作用理論的基礎(chǔ)。,1967 弱、電統(tǒng)一理論建立 ?Glashow-Salam-Weinberg model,Non-Abelian Gauge Theory(SU(2)XU(1))Spontanteous symmetry breakingHiggs mechanismt’ Hooft&Veltman’s renormalizable proof? 1973 中性流 1979 N

12、obel Price 1983 W,Z,1967至1968年間，S.Weinberg和A.Salam在Glashow框架內(nèi)提出了統(tǒng)一描述電磁作用和弱作用的自發(fā)破缺規(guī)范場(chǎng)論模型，定域規(guī)范群SU(2)xU(1) 。Higgs機(jī)制，由于對(duì)稱性的自發(fā)破缺，系統(tǒng)中出現(xiàn)的零質(zhì)量Goldstone玻色場(chǎng)會(huì)與相應(yīng)的規(guī)范場(chǎng)的縱向自由度結(jié)合，使原來(lái)沒有質(zhì)量的中間玻色子獲得靜止質(zhì)量并精確地預(yù)言了質(zhì)量大小。同時(shí)Higgs場(chǎng)激發(fā)出的中性標(biāo)量粒子稱為Hi

13、ggs粒子。,弱、電統(tǒng)一模型理論成功的關(guān)鍵點(diǎn),通過(guò)引入真空對(duì)稱性自發(fā)破缺機(jī)制使得中間玻色子獲得質(zhì)量，還保持了理論的規(guī)范不變性和可重整性。 對(duì)稱性自發(fā)破缺是指；雖然場(chǎng)的方程具有某種對(duì)稱性，但是場(chǎng)方程的代表真空態(tài)的解不具有這種對(duì)稱性，因而造成對(duì)稱性破缺。(對(duì)稱性自發(fā)破缺機(jī)制最早是1960年Nambo 將鐵磁系統(tǒng)和超導(dǎo)體中對(duì)稱性破缺引入到微觀粒子系統(tǒng)提出的),Nambo首先認(rèn)識(shí)到在某種相互作用形式下真空態(tài)可能不是唯一的，存在

14、多個(gè)最低能量態(tài)，物理上稱為簡(jiǎn)併真空態(tài)，此時(shí)可能發(fā)生真空對(duì)稱性自發(fā)破缺，即物理真空只選取了多個(gè)簡(jiǎn)併真空的一個(gè)態(tài)。,,按照Nambo-Goldstone定理，當(dāng)連續(xù)對(duì)稱性產(chǎn)生自發(fā)破缺時(shí)，系統(tǒng)中一定會(huì)出現(xiàn)零質(zhì)量的Goldstone粒子。Goldstone粒子的數(shù)目取決于相互作用對(duì)稱性的大小(G)和物理真空保畄對(duì)稱性大小(H)之差。,1983年1月和6月Carlo Rubbia和Simon van der Meer在歐洲核子研究中心(CERN)

15、的超級(jí)質(zhì)子同步加速器(SPS) 的高能質(zhì)子—反質(zhì)子對(duì)撞的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的W±和Zo規(guī)范粒子。實(shí)驗(yàn)上測(cè)到的中間玻色子的質(zhì)量與理論預(yù)言驚人地一致，這給予電弱統(tǒng)一理論以極大的支持，此后理論經(jīng)歷了一系列的實(shí)驗(yàn)精密檢驗(yàn)從而使它成為弱相互作用的基本理論。,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 Meer,1972年’t Hooft和Veltman提出維數(shù)正規(guī)化方法

16、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。,標(biāo)準(zhǔn)模型理論極大成功,1988,美國(guó)Leon M.Lederman,Melvin Schwartz和Jack Steinberger) for the detection of the muon neutrino,1974 Richter&Ting c-quark,196

17、7-1968 深度非彈中的scaling。 Friedman,Kendall,Taylor 1990 Nobel Prize,標(biāo)度無(wú)關(guān)性規(guī)律意味著大動(dòng)量遷移下電子是與質(zhì)子內(nèi)許多無(wú)相互作用的自由點(diǎn)粒子相互作用。費(fèi)曼(R. Feynman)稱質(zhì)子內(nèi)的這些點(diǎn)粒子為部分子(Parton),,實(shí)驗(yàn)上可以在正、負(fù)電子對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)中精確地測(cè)量R值。早期及北京譜儀(BES)近幾年來(lái)的實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了“色”數(shù)Nc=3。

18、,1973年(D.J.Gross )，(F.Wilczek)和(H.D.Politzer)提議了SU(3)色規(guī)范群下非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)論可以作為強(qiáng)相互作用的量子場(chǎng)論,其?函數(shù)是負(fù)的, 具有反屏蔽性質(zhì)，使得有效耦合常數(shù) 隨著 增大而減小, 即漸近自由性質(zhì)->量子色動(dòng)力學(xué)理論。,,1973 Gross,Politzer,Wilczek Asymptotic freedom?QCD,1973年 Gross-Wilczek

19、，Politzer奠定了量子色動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)。證明了非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)的漸近自由性質(zhì)。,當(dāng)能量Q2趨于無(wú)窮大時(shí)，強(qiáng)相互作用耦合常數(shù)?s(Q2)趨于零，定量地表達(dá)了強(qiáng)相互作用漸近自由的性質(zhì)。人們形象地將反映這特點(diǎn)的耦合常數(shù)稱為跑動(dòng)耦合常數(shù)。 跑動(dòng)耦合常數(shù) 在能量Q2變小時(shí)逐漸增大以至于達(dá)到無(wú)窮大，由此可以定性地理解為什么夸克在強(qiáng)子內(nèi)部而不能以自由狀態(tài)分離出來(lái)，因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)夸克之間的距離增大時(shí)，跑動(dòng)耦合常數(shù)變大，以至于耦合強(qiáng)度變

20、為無(wú)窮大，這意味著夸克之間的相互作用隨著分開的距離增加而增加，使得夸克和膠子永遠(yuǎn)束縛在強(qiáng)子內(nèi)部，人們形象地稱此物理現(xiàn)象為“夸克禁閉” 跑動(dòng)耦合常數(shù)隨能量Q2增大而對(duì)數(shù)減小這一規(guī)律已得到一系列物理過(guò)程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)。,漸近自由和夸克禁閉是量子色動(dòng)力學(xué)理論的兩個(gè)重要特點(diǎn)。,,,令人不解的謎－Higgs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

21、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” 直至 2012.7.CERN LHC:Higgs-like CMS 12

22、5.3±0.4±0.5 GeV ATLAS 126.0±0.4 ±0.4 GeV,Large Hadron Collider @ CERN,A machine for EWK Symmetry Breaking2009年運(yùn)行,ATLAS,今年物理學(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.

23、Brout在2011年去世).,III.標(biāo)準(zhǔn)模型成功和突破,2002年度諾貝爾物理獎(jiǎng)授予美國(guó)科學(xué)家Davis、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。,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

24、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)。,自然界三大難題,物質(zhì)結(jié)構(gòu)宇宙演化生命起源,2006年諾貝爾物理獎(jiǎng)授予宇宙微波背景輻射的各向異性，這個(gè)獎(jiǎng)更應(yīng)該是算在粒子物理的頭上，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。,Smoot,Mather,發(fā)現(xiàn)宇宙微波

25、背景輻射的黑體形式和各向異性,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

26、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。,物質(zhì)—反物質(zhì)不對(duì)稱的條件,Sakharov (1960s)存在改變重子數(shù)的相互作用 例如：大統(tǒng)一理論C和CP變換都不守恒早期宇宙中存在過(guò)對(duì)熱平衡的偏離

27、 三條件缺一不可,CP破壞是宇宙起源不對(duì)稱的根源,宇宙起源是對(duì)稱的但可視宇宙的范圍內(nèi)沒有反物質(zhì)1）遙遠(yuǎn)的反物質(zhì)世界---沒有證據(jù)2）宇宙演化過(guò)程中出現(xiàn)了不對(duì)稱的變化 ---CP或CPT破壞的發(fā)生現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)模型的CP破壞大小不足以解釋正反物質(zhì)不對(duì)稱,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

28、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Saul Perlmutter, 來(lái)自澳大利亞國(guó)立大學(xué)的天文學(xué)與天體物理學(xué)研究中心的Brian Schmidt和來(lái)自美國(guó)約翰-霍普金斯大學(xué)的Adam Riess,,粒子物理學(xué)21世紀(jì)面臨許多挑戰(zhàn)：

29、 標(biāo)準(zhǔn)模型 ： 夸克禁閉， 質(zhì)量起源 尋找新物理....宇宙: 暗物質(zhì), 暗能量, 反物質(zhì)... 超高能量：LHC, Higgs factory,ILC... 超高精度：Super-B,Super-Tau-C,.. 天上、地下觀測(cè)實(shí)驗(yàn)宇宙學(xué)走向精密階段,物理學(xué)畢竟是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，只有經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的理論才是正確的理論。揭示時(shí)間、空間、物質(zhì)和能量本質(zhì)的新理論也必須在新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推動(dòng)下得以