粒子物理学的对称性及其破缺.ppt

CD Lu,1,粒子物理学的对称性及其破缺,中国科学院高能物理研究所 () 吕才典,CD Lu,2,研究粒子物理的理论工具,微观 量子性 量子力学,相对论性量子场论 规范相互作用杨 -米尔斯规范场理论,高速(光速) 相对论性 相对论,粒子数可变 自由度数可变 场论,光速的99.9999 %,CD Lu,3,研究对称性,52张扑克牌：113 Z13 循环群 红的： ，黑的： Z2 循环群 桃： ， 花： ， Z2 循环群 G=Z13 xZ2 xZ2 一个元素对应一张牌,还需要群论有趣的数学,CD Lu,4,研究对称性,52张扑克牌抽走一张，然后把51张牌随机分给甲乙二人，乙只要告诉甲一张牌，甲就可以知道缺的是哪一张牌 首先：Z13 循环群，所有的牌点的和是13的整数倍，乙只需要告诉甲自己牌点的和被13除的余数甲就可以知道所缺牌的点数,CD Lu,5,研究对称性,然后Z2 循环群， 乙数自己红牌的张数，如偶数叫，奇数叫 Z2 桃牌的张数：如偶数叫，奇数叫 所缺的牌的花色也就知道了,CD Lu,6,Quark model,meson （q q） baryon（q q q）,1963, by Gell-mann ： All the “elementary particles” made of u, d, s and anti-quark u, d, s u, d, s obey SU(3) symmetry，mesons, baryons ( , n , , ) are multiplets of SU(3) group：,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,自旋为0,0 =,uu-dd,2,自旋为1,SU(3)不是严格的，明显破缺,CD Lu,8,标准模型未解决的问题：Higgs 粒子质量是通过自发破缺产生，自发破缺在SU(2) U(1)弱电统一模型（SM）中是由Higgs(标量)粒子非零真空期望值产生。,Technicolor 0 目前实验： mH 60 GeV,CD Lu,9,Matter,Anti Matter,反物质到哪儿去了 ?,CD Lu,10,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,CD Lu,11,宇称(P)变换,宇称变换 (镜像变换) 在强和电磁作用下不变 宇称(P)破坏,首先由李政道 和杨振宁提出, 只在弱作用中 存在,CD Lu,12, 疑难,K0, K0-bar are flavor (interaction) eigenstates KS（） pi pi KL（） pi pi pi 两种粒子质量、电荷一样，但是宇称不一样 是否同一种粒子？ 宇称不守恒,CD Lu,13,1957年吴健雄实验,自旋,自旋,CD Lu,14,C and CP transformation,C：charge conjugation，e e+ C parity also violated in weak interaction But CP conserved in most cases 弱作用拉氏量：左手流 电磁流：矢量流,左旋夸克，右旋反夸克,CD Lu,15,1957年吴健雄实验,自旋,e+,C变换,自旋,CD Lu,16,“基本”粒子三代费米子,CD Lu,17,弱作用拉矢量,弱作用拉氏量：左手流 质量项： 质量本征态 弱作用本征态 三代夸克需要3x3 矩阵（CKM）描写混合,d Vud Vus Vub d s = Vcd Vcs Vcb s b Vtd Vts Vtb b,+O(4),KM矩阵（Kobayashi, Maskawa） 小林和益川,CD Lu,19,2 x 2 混合,只需要一个参数，没有相角 所以不可能有CP破坏,CD Lu,20,CP violation,CP violation first found in K system in 1960s，small only 0.2 %, KL pi pi Recently also found in B decays - large B0 J/ KS,mixing and decay Sin20.7,CD Lu,21,KS - KL mixing,CD Lu,22,KS KL Oscillation,KS regeneration through oscillation K0, K0-bar are flavor (interaction) eigenstates KS 寿命短 KL 寿命长,500倍,CD Lu,23,CPT定理,T： 时间反演变换 CPT定理：对定域场，如满足Lorentz变换不变，并符合自旋统计关系，CPT变换不变 正反粒子有相同的质量，寿命。,CD Lu,24,CPT定理的实验检验,至今没有CPT破坏的实验证据,CD Lu,25,电子,夸克,只有高能电子才能达到核子的内部与夸克相互作用，从而揭示核子的内部结构和相互作用性质 E = Mc2,高能对撞机世界是粒子内部结构的重要方法,德国的 DESY,CD Lu,26,B介子工厂,研究 CP破坏起源，P 宇称（空间反演） C 正反粒子变换 T 时间反演 P, C , T , 破坏都已发现 CP破坏 也已发现 CPT 不变性一直很好,CD Lu,27,KEK,SLAC,Current B factories,BaBar,PEPII,KEKB,Belle,d Vud Vus Vub d s = Vcd Vcs Vcb s b Vtd Vts Vtb b Unitarity Vud Vub*+Vcd Vcb*+Vtd Vtb*=0 The triangles are measured mainly through non-leptonic B (bd) decays For example: by B , , by BJ/K, K VudVub* VtdVtb* by BK , BsK, VcdVcb*,CD Lu,29,CKM 测量现状,CD Lu,30,Time-dependent CP violation in B0 decays,B0J/yKS,CD Lu,31,CP破坏的观测量,Phase is not physical quantity Not measurable,No CP violation, if no interference,CD Lu,32,Direct CP Violation,CD Lu,33,Direct CP Violation,Require two kinds of decay amplitudes with: Different weak phases (SM) Different strong phases need hadronic calculation , usually non-perturbative,CD Lu,34,B , K have two kinds of diagrams with different weak phase,b W u Tree VubVud*(s) B d(s) (K) W b t PenguinVtbVtd* (s) B ,O3,O4,O5,O6,O1,O2, (K),CD Lu,35,Strong phase is important for direct CP,But usually comes from non-perturbative dynamics, for example,D,K,K,K,For B decay, perturbative dynamic may be more important,CD Lu,36,Non-leptonic B decays:,Study of CP violation mixing-induced and direct CP violation CKM angle measurement: , , Test of standard model Signal of new physics ,CD Lu,37,Picture of PQCD Approach,hard interaction inside the dotted line,4-quark operator,b,(5.3GeV),CD Lu,38,strong phase in short distance,When the Wilson coefficients calculated to next-to-leading order, the vertex corrections can give strong phase,CD Lu,39,Cut quark diagram Sum over final-state hadrons,On-shell,Off-shell,hadrons,Inclusive Decay,CD Lu,40,CP Violation in B (K) (real prediction before exp.),(2001),(2004),CD Lu,41,New physics at TeV,Promising hypotheses that predict new elementary particles in the TeV scale (SUSY, extra-dimension, etc.) More ambitious proposals that incorporate flavor symmetries (and violation) to answer the deeper questions of flavor physics.,CD Lu,42,New physics at TeV,New particles must come with New Flavor Mixing.,Many models/hypotheses Experiments should decide,CD Lu,43,Extended flavor structure,VCKM(A,l,r,h),Left-handed current, quark mixing and CPV,Left-Right mixing,CD Lu,44,强、弱、电三种力的大统一,强、弱、电低能区为三种不同的力， 到极高能统一成一种力,有可能对的是SO(10)大统一模型,CD Lu,45,任何一个费米子都对应一个超对称伴子 玻色子 任何一个玻色子都对应一个超对称伴子 费米子 超对称变换使 费米子 玻色子 因而自然界费米子玻色子 对称,超对称,CD Lu,46,质量的起源,例如强相互作用的结合能给出原子核的主要质量 电磁相互作用的结合能+电子和原子核的质量原子的质量 电子和夸克的“内禀”质量？Yukawa耦合? 内部结构？-未知的第五种相互作用,CD Lu,47,质量的起源,在标准模型中，夸克与轻子通过Higgs机制和Yukawa相互作用获得质量， 但理论本身无法预言质量的大小。 电子质量0.5 MeV, u、d夸克几个MeV, 而top夸克 175GeV，相差30万倍。 为什么差别这么大？ 阶梯性、跷跷板,CD Lu,48,历史的回顾,19世纪末20世纪初，麦克斯韦方程统一了电和磁。 许多科学家，包括很多的物理大家认为，物理学已经走到了尽头，只剩下了“修修补补”的小事情。 但是蔚蓝的天空还有两朵“小小的乌云”： -传播光的介质“以太”没有找到； 黑体辐射没有解释 但正是这两朵小小的乌云引发了物理学的革命-相对论和量子理论,CD Lu,49,历史上的粒子物理！,几十年来高能物理实验研究和理论探索对提高人类认识水平作出了重大贡献。 从1901年开始颁发诺贝尔奖起，已有一百多位物理学家获得了诺贝尔物理奖， 其中有42位与粒子物理有关，是物理学中获诺贝尔奖最多的一门分支。 - 物理学的20世纪,CD Lu,50,21世纪初的的粒子物理！,“标准模型”已经建立 各种实验结果都与标准模型预言基本符合 随着加速器能量的提高，新的实验难度越来越大 -资金困难。 高能物理的未来？ 能预言吗?,CD Lu,51,费米子“代”和“味道”之谜,为什么恰好有三代 ？ 为什么有不同的质量? CP 破坏问题 ？ 物质和反物质不对称,CD Lu,52,21世纪初的的粒子物理！,数朵乌云在闪烁：