粒子物理标准模型和 Nobel 物理奖中科院高能所 黄涛

2013.11.18. 于中国科技大学

诺贝尔物理学奖

1901—2013年获奖 107届

* 粒子物理在物理学中领先 占了物理学 >1/3~40%* 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。

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 t’Hooft-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/Ψ (1974 ) c quark• 1995 Nobel 物理奖 Perl 及发现了 τ 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

• 2002 Nobel 物理奖 Davis 、小柴昌俊(Koshiba) 和贾科尼中微子振荡（（ 1998 ）

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)

I. 粒子物理标准模型前期 (1960-1966)

强相互作用 : 六十年代 发现了大量强子态， 1960 PCAC Nambu, Gell-Mann-Levy 。 1961 SU(3) 八重态方案，对称性分类。 Neeman,Gell-Mann 1964 年 Gell-Mann-Zweig 提出 Quark Quark model 。 1964 Ω 发现 , CP Violation

霍夫斯塔特 , 穆斯堡尔

质子、中子等强子是由三种夸克 (u、d、 s) 组成

质量公式预言 m- 1670 MeV

实验 m- 1672.45 0.29 MeV

s

I3

K+(us) K0(ds)

-(u d) +(ud)

K-(su)

0

K0(sd)

s

I3

K*+ K*0

-

K*-

+

K*0

0

s

I3

n(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0 0 =

uu-dd

2

自旋为1

Weak interaction

• 低能四 Femi子普适弱作用 (V-A)型理论 中间玻色子 W(100GeV)• Nambo Spontanteous symmetry breaking• Quark modelQuark current, current algebra• Cabibbo angle, Glashow SU(2)xU(1) model• GIM mechanismintroducing c quark

非阿贝尔规范场论

• 40 年代末、 50 年代初建立量子电动力学 --Abel 规范场论。

• 杨振宁和 R.L.Mills在 1954 年提出的非阿贝耳规范场论是量子场论的一个重要进展。规范场论具有定域的对称性，即当场的变换群的参数依赖于时空坐标 ,t时 ( 各时空点的场作不同的变换 ) ，场的方程和所有物理量都保持不变。

II. 标准模型建立和发展 (1967---)

* 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 (γ) ，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。

1967 弱、电统一理论建立 Glashow-Salam-Weinberg model

• Non-Abelian Gauge Theory(SU(2)XU(1))• Spontanteous symmetry breaking• Higgs mechanism• t’ Hooft&Veltman’s renormalizable proof

1973 中性流 1979 Nobel Price 1983 W,Z

• 1967至 1968 年间， S.Weinberg和 A.Salam在 Glashow 框架内提出了统一描述电磁作用和弱作用的自发破缺规范场论模型，定域规范群 SU(2)xU(1) 。

• Higgs 机制，由于对称性的自发破缺，系统中出现的零质量 Goldstone 玻色场会与相应的规范场的纵向自由度结合，使原来没有质量的中间玻色子获得静止质量并精确地预言了质量大小。同时 Higgs 场激发出的中性标量粒子称为 Higgs 粒子。

弱、电统一模型理论成功的关键点 通过引入真空对称性自发破缺机制使得中

间玻色子获得质量，还保持了理论的规范不变性和可重整性。

对称性自发破缺是指；虽然场的方程具有某种对称性，但是场方程的代表真空态的解不具有这种对称性，因而造成对称性破缺。 ( 对称性自发破缺机制最早是 1960年Nambo

将铁磁系统和超导体中对称性破缺引入到微观粒子系统提出的 )

• Nambo 首先认识到在某种相互作用形式下真空态可能不是唯一的，存在多个最低能量态，物理上称为简併真空态，此时可能发生真空对称性自发破缺，即物理真空只选取了多个简併真空的一个态。

按照 Nambo-Goldstone 定理，当连续对称性产生自发破缺时，系统中一定会出现零质量的 Goldstone 粒子。 Goldstone 粒子的数目取决于相互作用对称性的大小 (G) 和物理真空保畄对称性大小 (H) 之差。

1983年 1月和 6月 Carlo Rubbia和 Simon van der Meer 在欧洲核子研究中心 (CERN)的超级质子同步加速器 (SPS) 的高能质子—反质子对撞的实验中发现的 W±和 Zo 规范粒子。实验上测到的中间玻色子的质量与理论预言惊人地一致，这给予电弱统一理论以极大的支持，此后理论经历了一系列的实验精密检验从而使它成为弱相互作用的基本理论。

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 Meer

• 1972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。

标准模型理论极大成功

1988,美国 Leon M.Lederman,Melvin Schwartz和 Jack Steinberger) for the detection of the muon neutrino

1974 Richter&Ting c-quark

1967-1968 深度非弹中的 scaling 。

Friedman,Kendall,Taylor

1990 Nobel Prize

标度无关性规律意味着大动量迁移下电子是与质子内许多无相互作用的自由点粒子相互作用。费曼 (R. Feynman) 称质子内的这些点粒子为部分子 (Parton)

实验上可以在正、负电子对撞机实验中精确地测量 R值。早期及北京谱仪 (BES)近几年来的实验都证实了“色”数 Nc=3

。

1973年 (D.J.Gross )， (F.Wilczek)和 (H.D.Politzer) 提议了 SU(3)色规范群下非阿贝尔规范场论可以作为强相互作用的量子场论 ,其函数是负的 , 具有反屏蔽性质，使得有效耦合常数 随着 增大而减小 , 即渐近自由性质 -> 量子色动力学理论。

2

2

0

22

log

4

4)(

Q

gQ s

s

1973 Gross,Politzer,Wilczek Asymptotic freedomQCD

1973 年 Gross-Wilczek ， Politzer 奠定了量子色动力学理论基础。证明了非阿贝尔规范场的渐近自由性

质。

当能量 Q2趋于无穷大时，强相互作用耦合常数 s(Q2)趋于零，定量地表达了强相互作用渐近自由的性质。人们形象地将反映这特点的耦合常数称为跑动耦合常数。 跑动耦合常数 在能量 Q2 变小时逐渐增大以至于达到无穷大，由此可以定性地理解为什么夸克在强子内部而不能以自由状态分离出来，因为当两个夸克之间的距离增大时，跑动耦合常数变大，以至于耦合强度变为无穷大，这意味着夸克之间的相互作用随着分开的距离增加而增加，使得夸克和胶子永远束缚在强子内部，人们形象地称此物理现象为“夸克禁闭” 跑动耦合常数随能量 Q2增大而对数减小这一规律已得到一系列物理过程的实验结果证实。

渐近自由和夸克禁闭是量子色动力学理论的两个重要特点。

令人不解的谜－ Higgs 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 125.3±0.4±0.5 GeV ATLAS 126.0±0.4 ±0.4 GeV

Large Hadron Collider @ CERN

A machine for EWK Symmetry Breaking

2009年运行

ATLAS

今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 ).

III. 标准模型成功和突破

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。

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。

自然界三大难题自然界三大难题物质结构宇宙演化生命起源

2006 年诺贝尔物理奖授予宇宙微波背景辐射的各向异性，这个奖更应该是算在粒子物理的头上，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。

SmootMather

发现宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性

暗物质和暗能量暗物质和暗能量 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%

•迄今为止，粒子物理学仅能解释宇宙中物质的百分之几。

•暗能量和暗物质的探索和物理解释是对 21世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占宇宙大部分的暗能量的本质是什么？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。

物质—反物质不对称的条件物质—反物质不对称的条件

Sakharov (1960s)存在改变重子数的相互作用 例如：大统一理论C和 CP 变换都不守恒早期宇宙中存在过对热平衡的偏离 三条件缺一不可

CPCP 破坏是宇宙起源不对称的破坏是宇宙起源不对称的根源根源

宇宙起源是对称的但可视宇宙的范围内没有反物质1 ）遥远的反物质世界 --- 没有证据2 ）宇宙演化过程中出现了不对称的变化 ---CP或 CPT 破坏的发生现有标准模型的 CP 破坏大小不足以解释正反物质不对称

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

物质与反物质不对称 (6.1)×10^-10 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。

2011年 Nobel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 Saul Perlmutter, 来自澳大利亚国立大学的天文学与天体物理学研究中心的 Brian Schmidt和来自美国约翰 -霍普金斯大学的 Adam Riess

粒子物理学 21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 ...

超高能量： LHC, Higgs factory,ILC... 超高精度： Super-B,Super-Tau-C,.. 天上、地下观测实验宇宙学走向精密阶段

物理学毕竟是一门实验科学，只有经过实验检验的理论才是正确的理论。揭示时间、空间、物质和能量本质的新理论也必须在新的实验结果推动下得以发展。

科学家们正在计划通过 ILC 和＋－对撞机来实现超高能量的物理实验。

同时，科学家们也在发展非加速器物理实验并与天文观测相结合探讨自然界奥秘。最新的发展使得粒子物理学、天文学和宇宙学交叉发展联手解决面临的难题，最终揭示超出于标准模型新的物理规律。

谢谢！