从宇宙到微观粒子在 2011 年物理学新进展中我们学

到什么

李学潜南开大学物理科学学院

2011 年都发生了什么大事

1. 宇宙学 研究的进展， 2011 年诺贝尔奖， 比较年青的宇宙在加速膨胀 找到暗能量存在的证据（？） 暗物质探测

2. LHC 成功地运行在 7 TeV 设计对撞能量为 14TeV 目前的对撞能量为 7TeV ， 2012 年将积累积分亮度为 25 fb-1

找到 Higgs 的迹象， 125 GeV （？）

3. OPERA 的新观测超光速的中微子？ - 教训 一个螺丝没有拧紧，一个接触松了，凝紧了后，“超光速”就不存在

了！为什么会出现这样的事，从中我们得到了什么教训？ 。。。。。。。。

• 什么是物理

物理学归根结底是实验科学，一切物理规律，理论都是来源于观察，实验，如要回归到实验

物理的基本规律是不变的，但物理学是在不断前进的。

• 物理分为基础物理和应用物理

我们仅涉及基础物理研究。20 世纪是创新的世纪， 20 世纪末随着计算

机的高速发展，和互联网的使用，人类的知识积累和认识世界的手段达到了前所未有的水平！

• 1. 天文 - 宇宙学宇宙学以成为一门可以验证的精确科学！宇宙的历史，起源于 130 亿年前的大爆炸，演化到今天，宇宙是有边界的。

2006 年物理学诺贝尔奖• 两位诺贝尔奖获得者：1.John Mather, Senior astrophysicist at NAS

A’s Goddard Space Flight Center

2. George Smoot, Professor of Physics at University of California, Berkeley

• 2006 年物理学诺贝尔奖是关于： Nobel prize for Big Bang research

J. Matehr and G.Smoot左边的是 J ohn C. Mather，来自 NASA Goddard Space Flight

Center；George F. Smoot，来自 University of California。

获奖原因 "f or thei r di scovery of the bl ackbody form and ani sotropy of the cosmi c mi crowave background radi ati on"。大概应该翻译成：因他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性。

J ohn C. Mather at NASA.

J. Mather et al., 1990, Astrophys. J (Letter) 354, 37; G. Smoot et al., 1992, Astrophys. J (Letter) 396, 1

2011 年的诺贝尔奖：• 美国加州大学伯克利分校教授索尔 · 佩尔马

特，出生于美国而拥有美、澳双重国籍的澳大利亚国立大学教授布莱恩 · 施密特，以及美国约翰斯 · 霍普金斯大学教授亚当 · 里斯。

这三位科学家对超新星的观测证明，宇宙在加速膨胀、变冷，这一发现“震动了宇宙学的基础”。

新的问题

宇宙学的困难暗物质与暗能量宇宙中可观测的发光物质，或重子物质只占

宇宙总能量的 5 ％以下，暗物质（冷暗物质）占 23 ％， 70 ％以上是所谓的暗能量。

暗物质是什么？历史上开始认为是中微子（热暗物质），现在认为最可能是超对称粒子 neutralino ， 或 axion, axionino 等。

如何在地球上的探测器上检验暗物质流？

暗能量• 暗能量是什么？ 温伯格： 空的空间？是“真空”吗？有能

量吗？Quantum fluctuations in electric ， magnetic

and gravitational fields

很大的能量爱因斯坦 1917 年修改引力方程

加入宇宙常数项， 给予空的空间已每单位体积恒定的能量

有许多 puzzles宇宙常数很小，远远小于弱作用的真空期望值。

如温伯格指出，包括了场的涨落和宇宙常数，那就要有一个 1056 的抵消，不可思议！

暗能量太大，星系就不可能形成，太小又不能产生今天宇宙加速膨胀。

还有很多新的关于暗能量的模型，但似乎还没有那个具有真正的说服力！

等 21 世纪的学者们努力起揭开这个谜！

暗物质

Fermi Lab1986

研究暗物质的困难 方法是让暗物质粒子与探测器中质子或电子碰撞，我们测量带电的质子或电子的反冲轨道。测量是非常困难的。

最近在美国明尼苏达的探测器 GCRS看到了两个暗物质的事例，但仍不能排除它们不是真的信号的可能性。他们用的是超低温的 Ge 和 Si 探测器。价格昂贵，技术复杂，科学意义重大！

锦屏山• 我国的暗物质探测计划

锦屏山隧道清华大学，四川大学，南开大学，原子能科

学院 CDEX 合作组上海交大 等 PANDAX 合作组中科院高能所

• 我国的暗物质探测计划

二滩水电站

2500米地下实验室

质量从那儿来爱因斯坦写下 E=mc2

即我们应该用质量来表示能量，但也暗示了用能量来解释质量的可

能性事实上爱因斯坦的最初论文标题是“物体的惯性依

赖它的能量含量吗？”公式是m=E/c2

在现代的规范场理论（ QCD ）中质量的确可以从能量得来，然而还得有一部分小质量必须从其他来源那就是所谓的 Higgs 机制，质量从真空破缺

得到！这是个世纪难题， LHC 实验也许会给出一个令人满意的答案！

粒子物理宇宙学LHC ， ILC 和 RHICLHC ， 14 TeV, 2007 年开始运行，寻找 Hig

gs ， 超对称粒子， 等新物理的信号ILC ， 1－ 2 TeV ， ？，精确研究新物理的性质，探索更新的物理世界

RHIC ， 寻找夸克－胶子等离子体，模拟早期宇宙 (Little bang)

为进一步检验理论，提出新的物理思想奠定实验基础

有效势

公式中的质量项具有一个负号。因而这个势的极小值不在零点。真空对应极小值，真空是简并的。

在选取真空时有任意性，这和介质磁化类似。加入外磁场后介质有确定的极化方向，再慢慢取消外磁场（在绝对零度附近），这个极化保持了。

2

-2

-4

-6

-8

-5 5 10

f x = xxxx

24-xx

Higgs 机制• 可能不存在一个 Higgs ，许多理论模型都预言了不只一个 Higgs 的存在，例如超对称 MSSM 等。

• 要是找不到 Higgs boson呢？霍金就打赌找不到，问题就严重了。

• 但理论家什么时候都有办法，新的代替方案，如 technicolor 模型等也被提出。我们期待 Higgs boson 的发现，但也做好准备。

• 在粒子物理中有一个“标准模型”• SU C(3)xSUL(2)xUY(1)

但它一定要破缺，它的机制寄著名的 Higgs机制，可以用下图来描写

现在的势能曲线，真空破缺 早期宇宙，温度很高时的势能

Higgs Boson (The Masses)

• 在量子力学中有一个测不准原理• 要“看到”越小的结构，就要求越高的能量，相对论的只能关系也告诉我们，要想“产生”很

中的粒子，就要有很高的“质心”能量。这就要我们建造能量很高，亮度很高的加速器，

随着科学和社会的进步，新的加速器在不断建造。最新的就是 LHC ，大型强子对撞机。

LHC 对撞机

在 法国和瑞士交界的欧洲核子研究中心 CERN

事例

一次典型碰撞的事例，许多强子被产生

LHC

计划已经延伸到 2030 年，那么以后呢？

LHC 物理• 探测器（ 1 ） CMS 寻找 Higgs 和超对称等新物理（ 2 ） ATLAS 寻找 Higgs 和超对称等新物

理（ 3 ） LHCb 做有关 b 物理的工作（ 4 ） ALICE 相对论重离子碰撞 还有两个 TOTEM 和 LHCf 是辅助性的探测

器

寻找希伯斯玻色子

LHC

新物理

。 Higgs 机制的困难是“ naturalness” ，必须有超越标准模型的新物理才能找到合理的解释。

。 暗物质和暗能量机制一定是新物理，而且要解释正反物质的不对称性，也需要新物理。

但新物理是什么？这是本世纪要回答的问题！已有若干新物理模型，但最终（？）要确定它们，必须依靠实验， LHC 将是最好的（至少目前来说）的大型实验装置，当然宇宙学观测也为检验新物理提供了很好的依据。

挑战？• 现在我们知道，这实际上是实验的问题。

According to sources familiar with the experiment, the 60 nanoseconds discrepancy appears to come from a bad connection between a fiber optic cable that connects to the GPS receiver used to correct the timing of the neutrinos‘ flight and an electronic card in a computer. After tightening the connection and then measuring the time it takes data to travel the length of the fiber, researchers found that the data arrive 60 nanoseconds earlier than assumed. Since this time is subtracted from the overall time of flight, it appears to explain the early arrival of the neutrinos. New data, however, will be needed to confirm this hypothesis

教训• 从这件“ deeply embarrassing for all of u

s” event 我们得到什么教训

超光速中微子（？）OPERA

这意味着中微子速度比真空中光速大，差别为

• 测量本身的误差如何？ Cohen 和 Glashow 提出了质疑Cherenkov 辐射

应该被观测到

有各种可能解释例如： 超维的存在，时空不对易，洛伦兹不

变性的破坏等等。对洛伦兹不变性的破坏， Coleman 和 Glash

ow 提出

在这，我们取 c=1 的自然单位制

那么 mu 中微子的速度就可能是

中微子的有效质量成为与能量有关的

从而得到

那么在这个过程中

就不可能产生高能 mu 中微子，这是一个很强的限制

出了 OPERA 实验之外， Fermi 实验室的 MINOS也发现过，但因为对结果又怀疑，没有报道（也没写文章）。

人们早就发现 从超新星来的高能光子比低能光子慢一些。

这一切是由于测量误差造成的，还是真的存在新物理，要修正高能的爱因斯坦理论，洛伦兹不变性在高能时会被破坏？

其他实验

• 目前我国的 BEPCII ，（ BESIII ）已经成功完成对撞，今年开始取数据；

• 日本的 Belle （ B-介子工厂）• 我国的大亚湾中微子实验；• 目前 RHIC 等等都对人类认识自然提供了实验观测基础。

• 天上我们有卫星，飞船，气球等搭载各种精密仪器探测宇宙来的信息，丁肇中先生领导的 AMS 将探测反物质的存在。目前已发现在 50 GeV左右有反常的正电子

超出，这可能是暗物质湮没的信号，最近有发现从遥远超新星来的高能光子比低

能光子慢，这可能是量子引力效应或什么新物理。

• 如果在地下探测器中没有观测到暗物质（截面小于 <10^(-44) cm^2)；

2012 年 LHC讲调到 8 TeV ， 可积累 16(1/fb), 可以确认在 125 GeV 处的突起是否是期望已久的 Higgs 粒子，如果不是， Higgs 质量至少要到 500 GeV 以上，和现有的理论矛盾；

OPERA 的结果已被证实是有错的，但大门是否已关上了？那么， 21 世纪我们应该干点啥？

• 问题很多，很多，可做的事（理论，实验）有许多！例如：中微子，等等！

新的挑战，需要新的实验，新的思维，创新的思维，需要年轻一辈的努力！

物理细推物理须行乐何用浮名绊此身 杜甫， 曲江二首

细推物理日复日疑难得解乐上乐 李政道， 借杜甫诗意

The Golden ageis coming!

Thanks !

谢谢！