高能物理的新进展.pdf

高 能 物 理的 新 进 展 郏 志 鹏 郁 宏 中 国科 学 院高能物 理研 究所 北京1 0 0 0 3 9 本文描述 了近年来高能物理实验 理 论的进展 实验表明不存在第四孙轻中微子 z 质量 宽威 强 耦台 常数 等的 精 确测量 结果 进 一步 支持 了标 准模 型 标 准模 型 获得 了巨大成 功 同时它 本 身也 在 不断发 展 新的 加速器 的 建 成以及 更大 加速 器的 建设 计划 给 高能物 理的发 展 带来 了新的 希望 自 I 9 8 3 年 传递弱作 用的 中间 玻 色 子 w 和 Z 发现 以后 高能物理没 有再 出现 轰动 的 效应 人 们致 力寻找的标准模型理论 预 言 的 t o p夸克和 Hi g g s等新粒子 没有找到 一 些大 的 加速 器 如 TRI S TAN L E P 和 TE VAT R ON 等相继问世 获得了一大批实验结果 这些结 果部证实 丰富 完善了 以电弱统一理论和 以量 子色动力学为基础的 标准 模型 理论 理论 本 身获得了不少发展 下面 介 绍一下 近些年 来 特别是近一年来 高能物理 实验和理 论方 面取 得的主要进展 一 加 速 器 实 验 1 z 物理 西欧 L E P 和美国 S L C正 负 电子对撞机 能量达到 z 共振 范围 可以产生大量的 z 为 研究 z 及其衰变 特性提供 了重要的信 息 1 只存在 三种 轻中徽 子 西 欧联 合核 子中心的 L E P正 负 电子对撞 机 上的四个 探测 器和 美国新坦 福直 线加速器 中 心的 S L C 直线正 负 电子对撞机上的 MARK l I 探 测器于 1 9 8 9年相继宣布 宇 宙中只有三种 轻中微子 不 可能存在 第四种 这项 结果是从 c e 一 一 z 一 强子的截面的精细测量中获得的 实验 得到 z 质量谱 的总 宽度 确定了 z 衰变 到 中微子的宽度 推 算 出 中 微 子 的 种 类 为 一 2 8 9 01 0 L E P 1 9 9 0年 8月的平 均 结 果 这是一个非常重要的结果 不 但对 高能物 理 而且 对天文学 宇宙学都有深远意义 大家知 道 迄今夸克 轻 子和媒介 子为构成宇 宙物质的 最 小单 元 目前 已 发 现 的 轻 子 和 夸 克 具 有某 种 对称性 它们都可 以排列成三代 第一代第二代第三代 轻子 夸 克 上面一行是 三种 轻子与相 应的 中 微 子 组 成 三 代 下面一行是 六 种 夸 克 组 成 三 代 虽 然 t t o p 夸克至今 尚未发现 但 许多实验都支持 基本粒子 三代 的理论 当然 人们不 禁要问 基本粒子就只 有三代吗 可不可 能有第四代 第五代 前些年 许多实验都在寻找第四 代的轻 于和夸 克 而且有的 实验表明似乎存在 第 四代夸克 b 对 z 粒子衰变宽度测量的 分析给出 自然界应只存在三 代轻中微 子 有 可能 自然界只有三代费米 子 也有可 能还存在 第四代费米子 这一代费米子 中的 中微 子的质 曩必须足够重 如 2 2 5 Ge V 图 l 给 出 L E P 上的 L 3实验得到的三种 中赦 子的实验 结 果 2 z 的质量 m 宽度 r 和 s i n 日 两温伯格 角 的精确 测量 z 是 i 9 8 3年在西欧联 台核子 中心正 反质 子对撞机上 发现的 以后几 年才积累了几百个 Z 事 例 给 出 mz 为 9 2 2 Ge V F z 4 5 Ge V L E P 组 8 9 G e V CD F 组 按标准横 型拟 台 几 个实验的 平均 值为 m 一1 3 7 4 0GeV 2 Hi g g s 担 子 按 电弱统一模型 为赋予 w z 以质量 对对称性 自发破 缺起 关键 作 用 的 Hi g g s粒 子 是一 定存在 的 但至今没有发现 L E P 探测 器 上 的 四个 组 排 除 了 从 O至 4 0 Ge V左右质量范围内存在 中性 Hi g g s H 这说 明 Hi g g s的质量可能很大 3 第四代 的粒子和轻子激盅态 第 四代的夸克 b 及重轻子 L 重中 微 子 L u 和轻子激 发 态 L 丰 都 没 有 发 现 L EP 组给出其质量下 限都在四十几个 Ge V 4 超 对 称 粒 子 超 对 称 理 论 预 言 存在 超 对 称 粒 子 即它 们 的 自旋与现存的粒子不同 费米子一 玻色子 玻 色于一 费米子 如超对称 e f W Z 分别记为e 卢 f 前 迄今 维普资讯 实验 k 个 都没找到 给出质量 下 限 在 3 0 一 荡 中子振 荡等尚无确切 的实验证据 4 5 G e V 之 间 二 非 加速 器 实验 1 1 9 8 0年 在苏联的 I T E P 上 实验者通 过 氚的 衰变谱 末端的精细测量提 出 电子 中微 子质量不为零 并给出其质 量范围为 1 4 m 4 6 e V 到 1 9 8 7年 他们仍坚持这一结论 并给 出接近的新结 果 1 7 m 4 0 Ge V 近年来 东京大学的 I NS 苏黎世和L o s Al a mo s等实验 宣给出更低 的 电子中微子 质 量 上限 其 中 L o s Al a mo s实验室 1 9 9 0 年 的结果 为 9 4 e V 否定 了苏联 的结果 双 衰变 寿命 测量推算 出 电子中微 子质量 上限在 1 6 e V之间 与模型有关 2 双 衰变是一个十分活跃的领域 仍然 没有找 到无中微 子的双 衰变 的实验证据 最 近有几个实验将 其寿命 的下限往前 推进 了一大 步 美国的 UC S B 组 已将 G e的 无中微子双 衰 变寿 命下限推至 2 4 l 0 年 我国 由中 国科学 院高能物理研究所和 中 国 科 学 院 理 论 物理研究所组成 的合作组将 c a的 寿 命 推 至 1 1 4 1 0 年 比先前的实 验推进了约一 个量 级 UCI I TE P Ye P I等实验组给出了 s e和 e以及 Mo的 伴随 两个中微 子发 射 的 双 衰变的证据 并给出其相应的寿命值 3 太阳 中微子亏损 继续被实验证实 Ho me s t a k e 实 验 组 利 用 6 1 5 t重 的 C 2 C 1 观 察 反 应 c 1 一 A r e 一 得到平均俘获率 为 2 3 0 3太阳中微子单位 比按标准模型计算 的值 7 9 0 6 要小许 多 4 质子衰变的 实验越做越 大 I B M K a mi o k a n d e实验组已把质 子衰变 的下 限推到 1 1 0 年 已超过最小 s oU 大统 理 论预言的 值 5 第五种力是否存在 尚无 强 而 有 力 的 证 据 目前几个新的实验倾向于 否定其 存在的结 论 6 其 他的 诸如磁单 极子 的存在 中微子报 三 理论部 分 粒 子物 理 理 论 方 面 的 发 展 经 历 了 初 创 1 一 1 9 6 0 辉 煌发展 1 9 6 0 1 9 7 5 巩固 和探 索 1 9 7 5 1 9 9 0 个阶段 量子 电动力学 QE D 的完成 从强子的 S U 3 群 分类 的成 功到量子色动 力学 QCD 的建立 从弱 相 互 作用宇 称不 守衡的 发现 普适弱作用 V A理论 的 建立到 电弱统一理论的确立 无一不是 以标 准 模型的巨大成 功而 达到 了高峰 量子非阿贝耳规范场论是当前粒子物理基 本理 论的基础 电弱和 强相互作 用的标准模型 就是基于 s u 3 c S V 2 u 1 群 的非 阿贝耳规范理论 其中 电弱对称性 S U 2 u 1 在 费米标度 p 2 5 0 Ge V 处 自发 破 缺 为 u 1 s 在低于 的能量区域 仪保 留色 对 称性和 电磁对称性 在标准模型 中 夸克 和轻子处于完全 对应 的位置 它们都有三 代 并且已得到 了 L E P组 和 S L C组最新实验 结果 的确 证 这是近二年来 粒子物理的最 重要 的实验结果 标准模型经受 了一 系列的实验 检验 取 得 了很大成功 但是许多关键问题如 t夸克 Hi g g s的存在 尚未得到 实验 证实 标 准模型包 含 多达2 0 个 参数 三个耦合常数 岛 g KM 矩 阵 中的三个混 合角 和一个相角 六 种 夸克和三 种带电轻子 的质量 Hi g g s 场 的真 空 期待 值 和 自作用耦 合常数 量子色 动力 学 中的标度参数 A 规范不变 日真空的 日角 因此 它不 是一个 基本理论 这些参数 中 一 小 部分来 自规范场 部分 大 部分则来 自 Hi g gs场 部分 要 减少与规范场有关的参数 就必须探 索 物理 现象内部是否隐藏着更大的对称性 要 减少与 Hi g g s场有关的参数 就必须 弄 清 楚 Hi g g s 场的实质以及对称性 自发破缺的机制 这 是探 索更新 更深 的粒 子物 理基 本规律之J必然 规范场的三次和四 次耦 台项 也因 为实验条 件的 限制而没 有加 以检验 从理 论本 身讲 除 2 0 卷 7期 维普资讯 了对 称性破缺的机制我们不知道之外 就弱相 互 作 用而 言 三 个 老 问 题 仍 然 存在 1 关于 弱作用的 自旋结构 为什么费米 子 的左手部分是规范二重态而右手部分是规范 单 态 2 关于弱作 用对妹 道的依赖 KM 矩 阵 的 实质 是什么 代 结构是什 么原 因造成的 为什 么代与代之间相 比 相互 作用极 相似而 质 量 差别 却 那 么 大 3 弱作用的耦合常数 g和 同量级 g 2 e 为什么弱作用这么弱 这是 能量等 级问 题 除此之外 再 加上中微子质量 中徽子振荡 伺 题 以及是否存在 新的相互作用 如 第五种 力 和质子能否衰变等 等问题 促使 我们 考虑 我们 虽然肯定了标准模型 但是没有理由不 试 图 冲破标准 模型的框 架 去作各种新的探索 例 如 将 原来最小标准模型的规范群扩充为左 右对称的 电弱统 一 模 型 s o 2 L S U 2 A x u 1 Y 多于 一个 Hi g g s二重态 的可能性 将 Hi g g s粒子看作人工色 费米子的结合态 甚至 把 w z 粒 子也 作为有内部结 构的粒子 把强 相互作用和 电弱相互作 用统 一起 来 从而 把夸 克和轻子联系起来 自然消去规范反常以及自 然解决 电荷量子化问题 的大统一 理论 虽然主 要由于质子衰变实验结果 否定了最小 S U 5 模 型 以及能量等 级问 题等 等 现在 已逐渐被冷 落 但它开辟了理论 家们 寻求统一理 论 的 方 向 超对称 超 g 1 力 以及 超弦理论 曾经吸 引了 相 当大一部分粒子物理理论 家的兴趣 在数学 结 构上也有不少进展 但 关于超 对称 超 引力理 论 所预言的超对称伴随粒 子 至今在实验上没 有发现 它们 的踪迹 再 加上 引力不可重整化的 基本 困难 使得它们的吸 引力逐渐减弱 而超 弦 理论 尽管从观念上作出了 革命性的 变革 用一 维弦 代替点粒 子 从而可 以期望没有发散困难 但至今超 弦理论家们没 有能力推 出严格的理论 公式 对于如何构成低 能下 的现 实模型 从而 用 实验去检验它 也没有办法 因而这一 二年 来超 弦 热 已呈降温趋势 簟 珥 作为强 相互 作用动力学理沦的量 子色动力 学 与 电弱统一理论相 比 由于 非微 扰效 应的 复 杂性 在 实验 检验 方面仍有较大程度上 的不确 定性 格 点规范方法仍是最可信赖的 但由于 非常大 的计算 量 要 作出准确 而精密的预言仍 有不少 困难 近年 来 由于 l 9 8 7年极 高 能重离 子碰撞设备 在 C E RN 和 B NL 的 投入使 用 关于 一种可能的解除色禁闭的 状 态 夸 克 胶子等离子体 QG P 的讨论 引 起 了 相 当多植 子物 理 学 家 和 核 物 理 学 家 的 关 注 WI S GUR 理 论 1 n s g t t r和Wi s e最先 提 出 的 重 味物理理论 中 重味夸克的质量 取无穷大时的极限 QCD理论 与模 型 无关 并具有新的 自旋 对称性和 睐道 对称性 使 理论 的预 言大为简化 并且具有极限的修正项 可 能被分类的特性 B o r k c n在 2 5届国际高能 物理会议上 的报 告 使相当多的粒 子物理学 家 感兴趣 近年来 凝聚态物 理的发展 某些新的 思 想 概念 方 法给粒子 物理理论 家以启发 在 凝 聚态物理和粒子物理交叉点上 2 I 维场论 模型被提 出来 它 有可能解释高温超 导现 象 同 时把费米子和玻色子 纳人一个统一的框架 当 然 这一模型还远 未能在实验上 得到检 验 总之 从 1 9 7 5 1 9 9 0年 标准模型经受住 了实验 的检 验 得 到巩固 同时人们也在 不断探 索 标准模 型仍 继续要 突破 要发展 粒 子物 理要 进一 步发展 实验 上的突破性 进展 仍是第 一位的 要冲出标准模型 适用的范 围 更系统 更全面 更精密地检 验标 准模 型才 能有所突破 有所 发现 高能量 高亮度 的加速 器 以及相 应的探 测设备是 实现这一 目标 的有 力 工具 到本世纪耒 随着S S C 超高能 超导对 撞机 的建成 预期 我们将 能了解 电弱作用的破 缺机制 有可能找到超对称伴随粒子 以及得到 基础费米子内部结构 的线索 而 r 一 粲和 B工 厂的建成 开展 精细 测量 以及稀有过程 的研究 发现新 粒子 新现象 亦将使掩们对微观物质世 界 的 了 解 更 加 深 入 北京正负 电子对撞机 B E P C 和 北京谱仪 4 05 维普资讯 B E S 是 目前 在 J 粲粒 子和 轻子能 区开 展物理工作的很好 的实验工具 我国 科学 家确 认了在 J 衰变 中产生 的新粒 子态 胶子球 混 合态 四夸克态等 并对它们性 质进行了研究 在粲物理及 f轻子物理研究方面 也做 了过细 工作并取得进展 引起 国际 高能 物理 界的 关注 四 未 来高 能物 理 计划 1 美国的正 反质 子对 撞机 Te v a t r o n质心 系能量已达 1 8 Te V 1 0 U e V 在这 个 对 撞 机 上很有希望找到 t o p夸 克 2 德国的 电子 质子对撞机HE R A 将于 1 9 9 1 年 开始运行 其 电子 质子束能量分别为 3 0 G c V 和 8 2 0 Gc V 设 计亮度为 1 5 1 0 c m s一 对这么高能的 电子一 质子对撞 人们期待 着有意义的物理结果 3 西欧的 L E P在 1 9 9 4年前后将 使用超 导 高频腔 质心 能量可望提高到 2 0 0 Ge V 可以产 生大量的w对 将 提供一个十分有趣的研究领 域 4 美国正考 虑一个雄心勃勃 的 计 划 在 本世纪末建造一 台 周 长 8 7 k m 质 心 能 量 为 4 0 Te V的质子一 质子超导 对撞机 s s c 和相 应 的探测装置 耗资 约8 0亿美元 目前 已选点在 得 克萨斯州 并开始设计与预制研 究并设法筹 集到足 够的经费 5 西欧也在筹划 和用 L EP 的隧 道建 造 一 台质心能量为 1 6 T e V 的质 子一 质子超 导对撞 机 L HC 耗资约 1 4亿 美元 预计在 1 9 9 8年 建 成 6 美国准备在 B r o o k h a v e n 国家实验室建 造一 台相 对论性重离子对撞机 R HI C 预计 将重 离子 加速到 1 0 0 2 0 0 Ge V 核子 为研究 夸克 胶 子等离子体状 况及其他新现象提供了 有利 的工具 预计在 1 9 9 8年前后建成 7 美国 西欧 苏联 都在考虑 建立 不同能区 的高 亮度正负 电子对撞机 即所谓 工 厂 一 粲工厂 B工 厂 等 其亮度都要 比现有 的大一百倍左右 可 以产生大 量的 粲粒 子和 B 由于技术上 的难度 经 费问 题尚未解 决 这些计划 尚在 审议之中 高能物理 的发展与其他学科的发 展 一 样 虽然不 能随时 给出激动 人心 的消息 但总是在 稳步前进 使人们 对微 观世 界的了解更深入一 步