（理论物理专业论文）在对撞机上寻找宇宙中冷暗物质的可能性探讨.pdf

摘要 大璧嬲溉测事实袭磷字密忿能爨骢百分之= 卡七左蠢是瞧跨物质撼赘黪，其孛终太 部分怒冷暗秘矮。囔糖壤是不参与强糨互馋恩秘奄磁枢囊掺用戆基本糙予，帮枝参热弱 相互作用的肖质量的中性粒子( w i m p s ) ，冀中根据我们对粮予物理的了解和研究墩可能 的两个候选鬈为最小超对称模型中最辍的中性怒对称粒予( 戈i i l ) 嗣轴子。本文的研究对象 为裟。 目前撩测冷暗物质的擞要手段燧利用宇宙线中的戈2 和探测器中的低能质子避行弹性碰 撞，邋过探测质子葳i 申来探溺罐物膜的性质和能量。当然也不摊除字赘线中裙在赢髓凝 的寇，它们和探测器中的中予域旗子散射产生新的粒子( 包括带电的趣对稔敉予) 。瞧 楚这是非常小的概率攀件，几乎不可能探测。所以人们并不认真对待这种方式。跗戈0 与 矮子鲍弹一涟散瓣来漉，崮子是溯黧质子反冲，背景干扰菲常强，所以很戆褥翔眈较精确 张肯定翡结谂。那么怒西赣英毪静可能深铡方式瞩? 我们猩本文主要设想利用加速器产生的高能粮子( 电子粕质予) 与宇宙线中的暗物质 粒子戈2 逡葶亍嚣洋毪碰攘，产生祭惫的越对称鞭子( 嚣) ，出予爱菠产生物( 感) 缀重并且带 电霭鼗穰容弱识别，蘩本上不襻在胬崇予撬，溺葡可黻期鏊得到诧较确韵瀚结果。本文 诗篝过程e 一十戈 一戈i 十一帮船十p 一对+ a n y t h i n g 的爱成截面。并根獬现在公认 翡字塞中蹬携震密度稷罄蔫正在运幸亍与鞭将逶嚣浆太鍪奏a 遮器的数据褥劐胃麓探测事镝 率。我 | 、j 瓣数篷结采滚懿戆指嶷农溪蠢帮可颈焚未来鹃实验条律下探溺_ ；雾铡率太，j 、阻致 诧方法嚣溯冷疆凝震爵能瞧是不存在静。我稍魄对敬现除段探测瘸镪穗豹蒸稳方法迸霉亍 了讨论。 关键溺：冷噻携矮孛淫徽予鬻毫黪趣对称粒子 反应裁嚣 赣理辩喾攀菠繁波页，典4 i 嚣禹舜大学磺士学靛论交 英文摘要 a b s t r a c t t h er e c e n ta s t r o n o m i c a lo b s e r v a t i o ns u g g e s t st h a ta b o u t2 7 o ft h eu n i v e r s em a t t e ri s d a r km a t t e rw h i c hd o e sn o tp a r t i c i p a t ei ne l c t r o m a g n e t i ca n ds t r o n gi n t e r a c t i o n s i nf a c t ， t i l ed a r km a t t e rp a r t i c l e so n l yi n t e r a c tw i t ho t h e rm a t t e r p a r t i c l e sv i aw e a ki n t e r a c t i o na n d a sw e l la m o n gt h e m s e l v e s t h u st h e ya r en a m e d 氆st h ew i m p s t h ed a r km a t t e rc a n n o t b ed i r e c t l yo b s e r v e d 谤o p t i c a lm e a n s ，b e c a u s ei ti sd a r k ，s ot h a ti tr e m a i n sm y s t e r i o u ss o f a r o n ei n t e r e s t i n gt a s ko ft h ec o s m o l o g y - p a r t i c l ep h y s i c si st oi d e n t i t i f yt h ed a r km a t t e r p a r t i c l e s b e c a u s et h e yd on o ti n t e r a c tw i t hp h o t o n sa n d g l u o n sa sw e l l ，t h ed a r k ；m a t t e rs h o u l d b en e u t r a le l e m e n t a r yp a r t i c l e sw h i c hd on o th a v ei n n e re l c t r o m a g n e t i cs t r u c t u r e t h em o s t p r o b a b l ec o n s t i t u e n tw a sc o n j e c t u r e dt ob en e u t r i n o sw h i c hw a ss u p p o s e dt oc o n s t i t u t et h e m a i np a r to fh o td a r km a t t e ra n da l m o s tt h ew h o l ee n e r g yo ft h eu n i v e r s e h o w e v e r ，t h e h o td a r km a t t e rs c e n a r i oh a sb e e nr u l e do u tb y e x p e r i m e n ta n da tp r e s e n t ，a c c o r d i n gt ot h e p r e s e n tt h e o r e t i c a lc o n s i d e r a t i o n c h em o s tf a v o r a b l ec a n d i d a t e sf o rt h ec o l dd a r km a t t e r a t et h el i g h t e s tn e u t r a ls u p e r s y m m e t r i cp a r t i c l e - n e u t r a l i n ox oa n d o ra x i o n s i n c et h ed a r km a t t e rc a ne s c a p ef r o mo n ro p t i c a lo b s e r v a t i o n o n en e e d st oi n v o k e a ne f f i c i e n tw a yt os t u d yt h ed a r km a t t e r e v e nt h o u g ht h ec o i dd a r km a t t e rp o s s e s s e s 2 7 o ft h ew h o l eu n i v e r s em a t t e r ，i nt h eh u g eu n i v e r s es p a c e ，i t sd e n s i t yi s v e r ys m a l l ( p 咖一o 3 g e v c m 3 ) c o m p a r e dt ot h ed e n s i t yo ft h en o r m a lm a t t e ri na n ya s t r o n o m i c a l o b j e c t sb yt h ep r e s e n td a t a t h et y p i c a ld a r km a t t e rf l t u xi sp a m v d i s p v d l 口i st h ed i s p e r s i v e v e i o c i t yo fd a r km a t t e ra n d i ss m a l l e rt h a n1 0 0 0k m s t h i sd i l u t ed i s t r i b u t i o na n ds m a l l f l u xm a k ed e t e c t i o no ft h ed a r km a t t e ro nt h ee a r t he x t r e m e l yd i 燕c u l t t h eu s u 献m e t h o dt od e t e c tt h ed a r km a t t e ro nt h ee a r t hi st ou s eh u g e - v o l u m ed e r e c t o r s a st h ed a r km a t t e rf l u xc o m e si n t od e t e c t o r a ne l a s t i cs c a t t e r i n go fn e u t r a l i n o s u p p o s e dt ob et h em a i nc o n s t i t u e n to f t h ec o l dd a r km a t t e rf l t l x ) w i t hp r o t o ni nt h ed e - r e c t o r ：妒十p 。铲+ p m a k e st h ep r o t o nt or e c o i l s i n c ep r o t o ni sc h a r g e d ，at r a j e c t o r y c a nb ed e t e c t e db ys e n s i t i v ee l e c t r o n i c s ，h o w e v e r ，t h ek i n e t i ce n e r g yo ft h en e u t r a l i n oc a n o n l y b eo fo r d e ro fm e v ，a n db y0 1 2 i c o m m o nu n d e 掩t a n d i n g ，t h em a s sd i f f e r e n c eo fc h a r g i n o a n dn e u t r a l i n om a yb el a r g e ，s ot h a tn oi n e l a s t i cs c a t t e r i n gs u c ha s 戈2 + p 。戈 + a n y t h i n g c a nb ee x p e c t e d 露嚣大学硬圭学位论文繁x 耍，共4 l 燮甥理鞋学学浣 英文摘要 f o rs u c hl o we n e r 黔f r o mo t h e rs i d e ，t h ec r o s ss e c t i o no ft h ee l a s t i cp r o c e s s 铲+ p “ 斧十p i ss m a l la n di t st h e o r e t i c a lp r e d i c t i o no fi t so r d e ro fm a g n i t u d es m a l l e ri st e s st h a n 1 0 6 1 0 - + p b t h er e c e n te x p e r i m e n to fs o u d a n s e t sa nu p p e rb o u n do ft h ec r o s s s e c t i o na so - 曼1 0 p b b e c a u s eo ft h es m a l lc r o s ss e c t i o na n dd i f f i c u l t yo ft h ed e t e c t i o n ， o n em a yt u r nt os e a r c hf o ro t h e rw a y st od i r e c t t yd e t e c tt h ed a r km a t t e rf l u x e r e d ea n dl u k d i s c u s s e dap o s s i b i l i t yo fd e t e c t i n gt h es u s y p a r t i c l e si nt h ec o s m i cr a y sa tt e v a t r o n 。 o u rf i n a lg o a li st oi d e n t i f yt h ed a r km a t t e rp a r t i c l e sa n d p r o b a b l y , s u c hd e t e c t i o nc a l l b es u p p l e m e n t a r yt ot h ec o l l i d e re x p e r i m e n t sw h e r e h e a v ys u s yp a r t i c l e sf o ro t h e rb e y o n d s m p a r t i c l e s ) a r ed i r e c t l yp r o d u c e di nh i g he n e r g yc o l l i s i o n s + n o w ，l e tu sc o n s i d e rac o m p l e t e l yd i f f e r e n tr o u t ef o rt h ed e t e c t i o no fd a r km a t t e rf l u x 。 o b v i o u s l y , d i r e c td e t e c t i o n o ft h ed a r km a t t e r p a r t i c l e s v i ai n e l a s t i c s c a t t e r i n gi sv e r yb e n e f i c i a lb e c a u s et h ep r o d u c t so ft h es c a t t e r i n gc s ni n v o i v eac h a r g e dh e a v ys u s y p a r t i c l ew h o s e t r a j e c t o r yw o u l db ec l e a r ，s od e t e c t i o nb e c o m e se a s i e r 。m o v e o v e r ，i nt h ee l a s t i cs c a t t e r i n go f 妒+ p “妒十p ，t h eb a c k g r o u n d i sh a r dt ob ef u l l ye l i m i n a t e d + t h i sc o n t a m i n a t i o nf r o m t h eb a c k g r o u n dp r o t o no ro t h e rc h a r g e dp a r t i c l e sm a k e st h ee x p e r i m e n t a li d e n t i f i c a t i o no f e v e nm o r ed i f f i c u l t t h ei n e l a s t i cs c a t t e r i n gd o s en o ts u f f e rf r o ms u c hp r o b l e m s i nt h i sw o r kw ei n v e s t i g a t eap o s s i b i l i t yo fd i r e c td e t e c t i o no ft h ed a r km a t t e rf l u x a ta c c e l e r a t o r sv i ae l a s t i ca n di n e l a s t i cp r o c e s s e s t h ea c c e l e r a t o r sa v a i l a b l ea tp r e s e n to r w i l lb ea v a i l a n e nt h en e a rf u t u r ea r el e p i i ，n l c ，譬嚣v 艘拽0 na n d 毛嚣c + t h ec o n c r e t e i n e l a s t i cp r o c e s s e sa r et h a to n eu s e st h eb e a mo fe x t r ah i g he n e r g ya ea c c e l e r a t o rt ob o m b a r d o nt h ed a r km a t t e rp a r t i c l e sw h i c hc o m e si n t ot h ed e t e c t o ra n de v e nt h eb e a mt u b ea r i d t h e nac h a r g e ds u s y p a r t i c l ei sp r o d u c e d v i a t h es c a t t e r i n g ，i e t h ep r o c e s s e ss u c ha s 趸。十e 一_ 驴十”，碧+ e 一一趸+ 7o r 斧+ p 一矿+ x e t c t h ed e t e c t i o nr a t ei s n ：= 芦硅m # 黼l 社粥 l 拶穗( 良圭) w h e r ep d mi st h ed a r km a t t e rd e n s i t yi nt h ea m b i e n ts p a c eo fo n re a r t h ，# 口mi st h ef l u xo f e o rp r o t o na tt h ea c c e l e r a t o r ，t ，r “i st h er e l a t i v ev e l o c i t yo ft h eb e a ma n d d a r km a t t e rf l u x ， b u ta st h ep r e v i o u ss t u d yi n d i c a t e s ，t h ev e l o c i t yo fd a r km a t t e rc a n n o te x c e e d1 0 0 0 k m s ， t h u sc o m p a r e dt ot h ev e l o c i t yo ft h eb e a mp a r t i c l ew h i c hi sv e r yd c r s et ot h es p e e do fl i g h t e o n ec a nt r e a tt h ed a r km a t t e rp a r t i c l et ob ea tr e s ti nt h el a b o r a t o r yf r a m ea s 却m l l e o - i st h es c a t t e r i n gc r o s ss e c t i o nw h i c h 妣e v a l u a t ei nt h i sw o r k 。si st h ec r o s ss e c t i o no ft h e 物理科学学院第越贾，焚4 l 页 南开大学顼士学位论文 b e a m zi st h el e n g t ho ft h ed e t e c t o ra n d i st h et i m ed u r a t i o no ft h ee x p e r i m e n t ，a n d i s t h ed e t e c t i o ne f f i c i e n c y i nt h er e g u l a rn o n a c c e l e r a t o re x p e r i m e n t s ，t h i se q u a t i o ns t i l lh o l d s ，b u tp k 。mi sr e p l a c e d b yt h ed e n s i t yo fp r o t o n i nt h ed e t e c t o r ，s f = 封i st h ev o l u m eo ft h ed e t e c t o ra n dl v r e t i st h e v e l o c i t yo ft h ed a r km a t t e rp a r t i t l e si nt h el a b f r a m e i nt h a tc a s e ，t h ev o l u m eo fd e t e c t o r s c a nb ev e r yl a r g e ，b u ta sa f o r e m e n t i o n e d ，i nt h i sc a s ef yi ss m a l la n dd e t e c t i o ne f f i c i e n c yi s l o w + b yc o n t r a r y , i nt h ea c c e l e r a t o rc a s e ，盯c a nb e e n h a n c e db y6 7 o r d e r s ，t h ed e t e c t i o n e f f i c i e n c yc a nb ea p p a r e n t l yi m p r o v e d ；b u t t h ee f f e c t i v ev o l u m es ti sm u c hs m a i l e rt h a nt h a t o fd e t e c t o r su s e df o rn o n - a c c e l e r a t o re x p e r i m e n t s t h ep u r p o s eo ft h i sw o r ki st h a t 强w ee 8 n s w a pt h el o s so ft h ee f f e c t i v ev o l u m eb yt h ea d v a n t a g e so fh i g hc r o s ss e c t i o na n dd e t e c t i o n e f f i c i e n c y t h ek e yp o i n ti sh o w m u c ht h ec r o s ss e c t i o ni se n h a n c e da n dt h ed e c i s i v ef a c t o r i st h ee f f e c t i v ev o l u m ep r o v i d e db yt h ea v a i l a b l ea c c e l e r a t o r sa n dd e t e c t o r s t h ei d e ao fu s i n gt h ea c c e l e r a t o rb e a m sm a yb ea t t r a c t i v e ，b u tw en e e dt oa s ki fi ti s r e a l i s t i cf o rt h ep r e s e n te x p e r i m e n t a lf a c i l i t i e sa n dt e c h n i q u e s u s i n gt h ed a t ao ft h ed a r k m a t t e rd e n s i t yo b t a i n e db yt h er e c e n ta s t r o n o m i c a lo b s e r v a t i o n ，p a r a m e t e r so fa v a i l a b l e ( o r w i l l - b ea v a i l a b l e ) a c c e l e r a t o r s ( b e a me n e r g y , p a r t i c l ed e n s i t yi nt h eb e a m ，b u n c hl e n g t ha n d r a d i u s ，f r e q u e n c ye t c ) ，a n dt h ef a v o r a b l ep a r a m e t e r sf o rt h es u s yt h e o r y ，w ee v a l u a t et h e d e t e c t i o nr a t e sa tv a r i o u sa c c e l e r a t o r s ， w eu s e dt oe v a l u a t et h ed e t e c t i o nr a t ef o rt h ec a s et h a ta ne l e c t r o nb e a ma tl e pi i a n db e p cb o m b a r d so n 更。t op r o d u c e 戈士，b u tt h e nw eo v e r e s t i m a t e dt h er e a c t i o nc r o s s s e c t i o na n dt h ed a r km a t t e rd e n s i t y i nt h i sw o r k ，w eh a v er e d o n et h ec a l c u l a t i o n so nt h ec r o s ss e c t i o n so f 受o + e 一_ 元十 a n d 更。+ p _ 呻更+ 十x ，b yt h er e s u l t s ，w eo b t a i nt h ec o r r e s p o n d i n gd e t e c t i o nr a t e s v c e t a k es e v e r a lg r o u p so ft h ep a r a m e t e r sf o rt h em i n i m a ls u s ym o d e lw i t ht h em s u g r a s c h e m e t h ep a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e db a s e do nt h ep r e s e n tc o l l i d e rd a t aa n da r ec a l l e d t h eb e n c h m a r kp a r a m e t e r sb yt h es n o w m a s s 。 m o r e o v e r ，a l m o s tf o u rd e c a d e sa g o ，8 t h e y u n a nc o s m i cr a y o b s e r v a t o r nap e c u l i a re v e n tw a sf o u n dw h i c hl a t e rw a si n t e r p r e t e da s t h a tan e u t r a l i n ob o m b a r d i n go nt h ep r o t o no ft h ec l o u dc h a m b e ra n dap r o t o n 。a7 1 一a n d a c h a r g i n ow e r ep r o d u c e d b yt h ed a t a 。h o 贰氇1 d e t e r m i n e dt h a tt h ec h a r g i n o i so n l y0 。2 7 g e vh e a v i e rt h a nn e u t r a l i n oa n di t si i f e t i m ei sl o n ge n o u g ht oe s c a p ef r o mt h ec h a m b e r b e f o r ei td e c a y s ，u s i n gt h i se x t r ap o s s i b l ep a i a m e t e r ，w en u m e r i c a l l ye v a l u a t et h ed e t e c t i o n 囊舞太擎硬圭攀往论戈蕈砖i 援，煞4 l 委臻壤辩学掌魏 英文摘要 r 戤e h o w e v e r ，豁o u rw o r ks h o w st h a ta tt h ep r e s e n te x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，i ti si m p o s s i b l e t od i r e c t l yd e t e c tt h ed a r km a t t e rf l u xa ta c c e l e r a t o r ，n a m e l yu n l e s st h e r ei s8 r e v o l u t i o n a r y i m p r o v e m e n to fb o t ht h ea c c e l e r a t o rf a c i l i t i e sa n dd e t e c t i o nt e c h n i q u e si sa c h i e v e d w eh a v e t or e l y0 nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d ，i e t h en o n - a c c e l e r a t o re x p e r i m e n t sw h e r et h ed e t e c t o r h a s h u g ev o l u m e t os e a r c hf o rt h ed a r km a t t e rf l u x e s k e y w o r d s ：c o l dd a r km a t t e r n e u t r a l i n oc r o s ss e c t i o n e h a r g i n o 声碉 声明 本人郑耋声端； l 、始终坚持”求实、创新”的科学精神从攀科磺王作。 2 、本论文是我个人在导爆挛学潜教授搓等下进行的磺究王馋 并联得的研究成暴。 3 、本论文巾除雩l 文羚，所鸯实验、数据鞠誊荧毒孝料均是囊实 的。 4 、本论文学除萼| 文翻致谢的肉密外，不包含其他入或箕宅飙 构已经发表或撰霉过辩研究成暴。 5 、箕能辩姘王僚者对本研究搿徽的贡献均露在论文审终了声 躜并数澍。 签名： 麓麓： 物瑷擗学学院 第v i i 。蠢，共4 i 樊簿舞夫学矮士学位论交 第一章| 言 第一章引言 ，ns a e l y $ a l dt h a tn ob o d yu n d e r s t a n d sq u a n t u mt h e o r y ， f e ，, n m s n 1 1 赌物戚及其研究筝段介绍 l + 1 1 暗物溪 宇宙的总物质能量裔几个部分缀成，簿一部分由相应的能量密度p i 飘绣p 。和压 强搬蒜挑斑来袭援。其中p 。兰3 磺8 7 r g n 为譬宙据凇密度。强为髫翦的啥勃势数，我们 敬数德结果，这里置b = 7 0 k r a s 川m p c ，p c 一5 2x1 0 川a e v a m 3 我们可以把总能爨表示 烫：p o = n o 纯，q o 一。n 。 1 】 瑷戗宇蠢学双测指出宇富能量密度串百分之三十左农是由物质提供，其余西分之七 十左右是某些其有负压强形式的能量，成为碴能量掇供。而宇宙物质密度中氍分之九十 以上怒由暗物质掩供的。 2 3 1 1 4 1 所谓“暗糖质”是攒它们不能利粥常蠖懿光学方法观溅 到，只能通道箕引力效应探测。暗物质w 以分为两大类：燕子暗物质和非重予暗物质。 其中重予暗物质是指怒由菜些“不发光”的重予构成，包括菜整曼系鳙缩蜃形成的黑 潲；非重子豫物质可鞋由祷腰豢翡中徽予躐荣些蕊焱还束发瑶翁基本粒子或场，毯括器 视黑涧。这贱非熏子暗物质是在宇宙大爆炸时形成的，因此它们戏者是稳定粒子或者它 们的寿命眈现在的宇宙年龄还要长。 商大量戏溯搴实汪安字密中存在熏子帮 重予戆物璇，其中毯撬在霹拣麓状震系旋 转曲线的测掇。f 5 1 在这类实验中，利用谱线的多鬻勒位移可以确定螺旋状艇系对于银 灏系的环绕遴发是半径r 的函数。弼莱宇宙中不襻在蹬物质，国予螺旋获溅系的霹觅 矮蠢强。集中在蒸中心霞嚣，溷魏对予半衽缀大懿嚣域我翻应该缮到v 。2 = g 矗磊：。疆 是实际对于徽多螺旋状慰系的观测结果袭明在大半径区域，环绕速度v 。与半径r 无关， 蘑基本上是确定数餐帮。一2 0 0 e m s c c 这耱“乎邀旋转鏊线”患臻着星系慧震豢涎蓑 蒸半经线蛙增长，鄹甄蹦( r ) - - g n v c t ，因藏褥到在大半径处密发以l 弦形式减小，说疆 星系周围存猩暗物质“肇”。在一特定温度下理想气体模型可以给出这种质量分布。 帮? = ；m 飙谚，冀中m 黼必一个疆魏缓粒予蔟量。一个篷要欧阏越在于在极小半径秘掇 大半径处我 i 1 3 如秘处理这静溪嶷分布。因为按照这种分辑在极小半径处密度将会是为无 穷大，同样，在极大半径处星系总质激也会是无穷大，而这是习；可能的。所鞋我们借助 物理辩学学跪繁l 嚣，共4 l 翼 辩舞大学磺士学位论文 1 , t 婚蜘质及其研究手段奔绍 皴蘧模拟来磷究在极小半径积极大半经处瞧甥矮“鼙”。磷究发现在极小半短处蹬物质 “繁”霹一尖漩点，鞠m 幽一r ，其中g = 1 嗣或者醴一l ，5 翻，瑟在大擎径处蜜发羧i ，r 3 减 小。健跫最送躲黢测数撂勰潮这整结暴不致。蚓在锻溺系中，竣秘壤密壤典漤数基 为妒龇z o 3 g e v c m 3 , 但是这个结粜依赖于踏物质晕的具体形状。蹬物质中百分之七十左 右是黪麓子暗物质。非重子蛾物质又分为冷嫱物蕨酾热噎物质鼹丈类。这种分类的袄摄 取决予在字露中键禽足够多黪物质构成星篆数时髅，送些暗物质靛予是否是糨对沦蛀 的。如果暗物质粒子与重予和辐射处在热平衡之中，那么只有暗物斌粒子的质量可以判 断它楚冷暗物质述愚热靖物质，这个袋鳖莽限是r $ d m l k e v ，标准宇键模型指嬲字宙中的 暗物质主要愚由冷碴物质缀成的，眈躲个模型中假设冷暗物质稷对能爨密度为0 3 ，热暗 物质为0 ，暗能量为0 7 其压强为一0 6 ，则这个模型与所有实验数据均究荚吻合。9 1 i 1 。2 璃论椴浆 榜秘豹蠹然秘字塞隶遮啜葶 羲人类去攥索，窦铁蠢了人类，我们认识交然搽豢宇富 麴步伐裁始终没有修息。我们鲍静辈毫经为我们积累了几予年丰富的科学知识和认知手 段，然稀由予融代的局限，热们没裁最终真正理簿囱然，缎是从觏剥路开始，人类开始 恕是已对蜜然的认识建立礁坚突的科学实验豹基础之上，从两才僮褥人类揭示囱然奥掇 的愿望成为可能。 几予年寒，建誊们探索自然麴硕鬃累累，献牛顿豹苹暴落媳开始，入们开始冀正、 系绫、科学地探索宇宙，个又个的星系被发现，同时，一个又个谜展瑰巍人们蕊 前，为了从最根本上理解宇宙，人们的视线开始对准微观粒子，于是，个古老黼又年 轻的学科应运丽生，这就怒靛予物理。 1 1 3 靛子物毽 粒子物理学是辑究魏袋最基本缀元救特涟及獒翱互穆髑蠛张豹一门游沿学 辩 1 0 1 1 1 1 1 e 。敕予耱理这一掌瓣霹戳说开娥予l 舀。年菠彀子瀚发戮。在接下来鹣5 0 每 个攘个斡耪粒子被发疆，这擅发现大部分来蠡予字密线实骏，遥必字密线懋警瓣离 能越予浆唯一源。粒予物理学的真藏繁浆楚在1 9 5 0 零以后字窝线中掰的基零粮予的发 现激发了高戆对撞执的建造，提供了赢强震可控的柬流，溅终塌开了物质的弩究结拘， 把邋一学科撮到了一个蓠掰泰寿靛高度。然嚣研究藜零粒予物理黪工具楚量予场论。 l + l - 4 霪子场论 十九畿纪秘期发震怒寒瓣鬣子力学瑷论，成功鲍瓣释了低速徽麓矮域鲍粒予嚣为。 按照薛定谤鹃波动壤论，粒子的行为可强麓波函数箍述，缀据波函数静归一位聚传，粒 窿并大学矮士学僚论文繁2 葵，蕊4 1 鬟耪理氍掌学院 第一章引言 予在整个窆阕范围蠹窍在载凡率慈是l 。也就建镟筏子羲不念产生，也不会演灭，粒予 的数目不会变化。但程高能情况下，粒子间的褶瓦作用常伴随着粒子淫灭、新粒子的产 生。这些粒子相互转化的现象是量子力学无法解释的。量子场论的建立使这些问题迎刃 蠢解。它认为不同的粒子对应不阏的场，场瓣激发积退激分剐表现为粒予的产生稿漤 失。量子场论和y a n g - m i l l s 规范场论已l 经成为当今粒子物理的疆论基础。谯自然界存戎的 四种相互作用( 电磁作用、弱所用、强作用和引力作用) 中，引力相互作用在宏观世界 里发挥了蕊要 乍用，健在微观世界莛效应却十分微弱。它也是至今未能量子仡的唯一一 种楣互 馨瘸。对于其德三稃穗互手筝掰，在场论的蒸础上都有与之相对应静鬃子理论。 1 1 5 量予电动力学( q e d ) 宅磁攘互圣筝题是难一一耱“赛藏二驳”熬凝互箨曩，它农宏蕊领域徽鼹镁域都越饕 重要作用。量子电动力学认为，粒予之间的电磁相互作用是由电磁场豹燮子一一光子来传 递。量子电动力学是- f l 相当成功的理论，大刹天体，小到1 0 6 c m 范围内，理论计算和 实验事实露符台得缀好。龙其是关予毫子零弘予瓣反卷磁缒戆理论诗算秘实验结果鳇耱 合，不髂不称为是珍奇的成就。毽弼一方面，辩于电子的电耱为什么是擞子化的? 有没 有磁单檄的存在? 这些问题的解答还都有待于今后理论与燕验工作者们的研究。 1 1 6 弱穰绫一瑾论 人们对弱相互作用的认识怒从原予核的p 衰变开始的。半个多世纪以来，对弱 相互作用本质的认识随着实验和理论的进展丽逐步深入。1 9 6 7 1 9 6 8 年，温伯格( s w e n b e r g ) 、萨控姆( a 。s a l a m ) 鞠疆控遣( s ，l 。g l a s h o w ) 在过去工俸靛蓥疆上鬟毒了 弱电统一理论，不但避一步揭示弱相互作用的举质，而且将弱相互作用和电磁相互作用 纳入了同一理论体系，这对理解电磁相互作用和以后理论的发展也有重大意义。理论本 身接受实验验证兹嗣辩，宅所预言豹诲多现象魄褥裂了实骏谖实，这一壤论已经褥到了 人f l 、j 的公认，并且被誉为粒子物理学中的标准模型。 弱电统一理论虽然取得了巨大的成功，但理论中的十九个自由参数使理论计算带 有攫大懿不确定性帮霹谖连，它不黢解释轻子秘夸克都是三健躲原因以及一些更深刻润 题。 1 1 1 7 薰予色动力学( q c d ) 虽然关于强稳互佟簿兹实验终巢穰多，也慈结了不少实验燕撵缝，愆我窦对宅懿本 质并没有清楚的认识，大多数理论都还是唯象的理论。量予色动力学是强相互作用理论 最有希望的候选者，它是描述夸克之间相互作用的色s u ( 3 ) 定域规范对称性的非阿贝尔理 羲理薅学学院第3 耍，共4 l 页裹舞大学硬士掌握瓷文 1 1 暗物质及其研究手段介绍 论。 在该理埝中，弓| 入了一耱耨静鑫崮瘫一一“搿色”。夸巍带有红、黄、麓三释颜卺， 也就是说，弩克带有类似于q e d q b 电荷的“色葡”。夸克之间存在的强相互作用的强度 可麓跑动稻含常数r u n n i n gc o u p l i n gc o n s t a n t ) o f 。来表示，o t 。怒个与动量转移有关的鬻 数，宅楚动鳌转移麴臻大鞭减小。传逮强翅互 擘焉戆粒子楚蔽予，荻子凌蘩露色薅，褥 且胶子与胶子、胶子与夸克之间也存在强相互作用。但由夸克组成的参与强相互作用的 强子本身并不带琶蓊，无论是鑫三稃不鼹颜色夸克缀残懿耋予，悉是由蒸反夸宠缀戒瓣 分子，它搬郄怒垂单态。 量予色动力学理论根据所谓的“艇屏蔽效应”躲释了强相互作用中的“渐近自由” 淡象。也薤是这个瞧麓惫鼹耀互 鬈耀黪系绫诗舞提貘了坚实黪鏊礁积莰速熬捷经一微 扰q c d ( p q c d ) 。除了大动量转移的清援外，量子色动力学逐成功地解释了强子黪一 些静态性质，如强子磁矩翔强子多震态的质量劈裂，以及轻予与强子非弹性散射中标度 无关瞧匏破螺耀题。擐对予小动量转移，器姥砖糕合卷数变愿缀丈，不毙锭爆擞扰浍 进行计算，蹙予色动力学逐不能很好盼处理这个问题。总之，量予色动力学作为一种霄 希望的强作嗣瑷论，裔其成功之照，也存在许多难以解决的问题，仍处谯发展之中，还 露待予实验驰骏证秘逃步完善。 1 1 8 标漤搂憋 2 0 世纪下半叶，粒子物理的最大成就就是建立了“标准模型”。这个模型认为构成我 销字塞斡矮麓攀戏分楚莛旋为l 2 懿费举予一夸炎裁辍予( 礁甥豹涎是夸炎、袋子、怒菠 粒子和零格子( h i g g s ) 。这些粒子滴蛇鞠互 乍用规禳就是前面提到的量子电动力学、溢 伯格一萨挝姆弱电统一模型、量子色动力学再加上夸巍模型，它们统一的筲为标准模型。 标准模型绘出躲重要预言，除- f h i g g s 糠子外，都譬孽到了实验懿骏证，取褥了空前始成 功。 1 1 9 最小越对称标准模熬( m s s m ) 尽譬标礁模型在缀麓豹实验糖发取褥了嚣大泼功，然蕊隧麓麓豢檬发靛摄翥， 貔们发现越袋越多怒出椽准模黧韵敷物理。魄如趣对稔( s u s y ) ，超缳( e x t r ad i m e n - s i o n s ) ，t e c h n i c o l o r 等等其中我们要研究的暗物质就怒一种超对称粒子。熬本粒子与基本 鞠互终嗣鹣簸终统一，是物理学家特别是理沦物理学家们为之不箨奁斗的嚣鼯援蕊理 沦的运用，使物理学家在统一基