bes北京谱仪物理实验研究介绍.ppt

1、北京谱仪物理实验研究,金 山 中国科学院高能物理研究所 2006年7月11日,物理学是以实验为基础的科学。在实验上发现新粒子或新物理现象，一直是促进物理学发展的根本动力，而许多重大问题最终只能由实验回答。,主要内容,高能物理简介 北京谱仪（BES）实验在国际高能物理中所处的位置 北京谱仪实验研究的物理意义 北京谱仪实验中新的 Monte Carlo 模拟软件 北京谱仪实验重大物理成果 （包括最近一系列新发现）,北京正负电子对撞机（BEPC）鸟瞰图,侧 面 图,端 面 图,7X6X7米3，500吨,高能物理又称粒子物理，是研究物质的基本组元和它们之间相互作用规律的一门学科。 高能是指研究粒子物理

2、需要高能加速器实验手段，能量一般大于 1 GeV (10 9电子伏)。 高能物理研究的内容涉及到基本的物质结构及其相互作用规律，因而在人们认识世界和改造世界过程中起到很大作用。 她始终处于科学的前沿。 她总结出的“标准模型”是物理的基础。 她把人们的认识水平推进到 10 19 米。,什么是高能物理？,客体尺度与观测手段,高能加速器和探测器的应用非常广泛和深远。 几十年来高能物理对科学做出了重大贡献。 从1901年颁发诺贝尔奖起，已有一百多位物理学家获得了诺贝尔物理奖，其中有四十多位与粒子物理有关，是物理学中获诺贝尔奖最多的一门分支。,自然界中的四种相互作用,重力,弱作用,强作用,电磁作用,四种

3、基本相互作用,引力相互作用 万有引力广义相对论 （宏观） 电磁相互作用 麦克斯韦方程 量子电动力学（QED） 弱相互作用 电弱统一理论 强相互作用 量子色动力学 （QCD）,标准模型,Electrons (10-18 m ) 电子,Atom nucleus nucleon quark 原子 核子(质子,中子) 核子 夸克 10-10 m 10-14 m 10-15 m 10-18 m,物质的组成单元,基本粒子分类（名词）常识,按质量分类 (old convention) 轻子（lepton）：例电子（e）、中微子 介子（meson） ：例 介子 重子（baryon）：例质子、中子 强子 后来，

4、介子和重子因参加强相互作用被统称为强子。 自然界现已发现大约140种介子和大约120种重子，它们 是否还有深层结构？,夸克模型,介子由（q q）构成 重子由（q q q）构成,在夸克模型中：,标准模型中的基本粒子分类,夸克和轻子 （matter constituents） 六种夸克和六种轻子分为三代：(三代费米子自旋为半整数的粒子) 中间玻色子 （自旋为整数的粒子）传播相互作用 Force Carrier：光子（ ）、W粒子、Z粒子 电弱相互作用 胶子（gluon）强相互作用 Higgs 玻色子 决定物质质量 标准模型中唯一尚未发现的粒子,u c t e d s b e ,夸克,轻子,标准模型

5、（EWQCD）的检验,以在欧洲核子物理中心（CERN）的 LEP 对撞机上的四个实验为主，对标准模型，尤其是弱电理论进行了大量精确检验，证明了标准模型的巨大成功。 标准模型建立发展的三十多年中，多项获诺贝尔物理奖。,量子色动力学（QCD） 描述自然界强相互作用的基本理论： 在高能（10 GeV) 下预言的“渐进自由”现象已被大量实验所证实。“渐进自由” 的发现获得 2004 年 Nobel 奖。,尚待回答的重大问题,Higgs 粒子是否存在？ 超对称粒子（SUSY）是否存在？ CP破坏的本质是什么？ 夸克、胶子等离子体是否存在？（期待RHIC上发现） 是否存在由新型强子构成的物质形态（多夸克态

6、，胶球，混杂态）？ （当前研究热点前沿课题BES） 暗物质、暗能量的本质是什么？ 是否存在标准模型之外的模型？（理论家都相信标准模型只是一种有效理论）,高能物理实验发展的主要方向,对撞机（加速器）实验 高能量前沿：LHC，RICH， 直线对撞机LC （未来） （寻找Higgs，SUSY，夸克胶子等离子体) 高亮度前沿：Babar, Belle （研究CP破坏 ） BES，PANDA （寻找新型强子态） 非加速器实验 包括中微子、宇宙线、天体物理实验。,注入器长202米,储存环的周长为240.4米,对撞能量2-5GeV 物理目标,北京正负电子对撞机（BEPC）示意图,BES物理实验研究内容 (I

7、),J/ 物理研究：系统研究轻强子谱，寻找多夸克态、胶球和混杂态候选者，开展分波分析，确定其自旋宇称；寻找和确定一些重子激发态的质量和自旋宇称；系统研究J/衰变特性和分支比, 全面地刷新粒子表的数据。 (2S)物理研究：系统研究(2S)衰变特性和分支比, 全面地刷新粒子表的数据；和J/的衰变比较，研究(2S)相对J/的衰变分支比之比“12%的规则”；测量(2S) 衰变产物CJ的衰变的特性和分支比。 强子产生机制的研究：继续完成2-5GeV R值测量的数据分析；开展非共振区的强子产生机制和QCD检验的实验研究；研究在该能区进一步提高R值测量精度的可能性。 （3770）和D物理的研究：测量（377

8、0）的共振参数和衰变性质；（3770）的非DDbar衰变的研究；D介子某些重要衰变特性的研究。,研究内容 (II),稀有衰变和可能的新物理的研究：利用目前世界上最大的数据样本，在J/、(2S)事例中进行稀有衰变的研究，对一系列稀有衰变设定比现有结果更精确的上限，寻找可能超出标准模型的物理现象。,高能QCD检验获得成功，然而，低能下(3GeV) QCD 理论尚有待进一步实验检验，尤其是有许多重大问题亟待实验回答，例如： 自然界是否存在由新型强子构成的新的物质形态？ 北京谱仪最重要物理目标 新型强子寻找,新型强子：多夸克态、混杂态和胶球,已知强子（参加强相互作用的粒子），均由2个或 3 个夸克组成

9、： 夸克模型： 新型强子 QCD理论的重要预言： 多夸克态 ：夸克数4 混杂态 ： 夸克和胶子混合组成 （qqg，qqqg ） 胶球 ： 纯胶子组成 （gg， ggg ）,介子由（ q q ）构成 重子由（q q q）构成,实验上发现多夸克态、胶球和混杂态等新型强子对检验和发展 QCD 理论具有重大意义，一直是世界上许多高能物理实验的最重要物理目标。 自从丁肇中教授发现粲粒子 J/ 以后，粲粒子的衰变被公认为是寻找和研究这些新型粒子的理想场所。 北京谱仪（BES）是工作在北京正负电子对撞机上用来进行粲粒子物理研究的大型通用探测器。,新型强子研究中国高能物理发展的重大机遇和挑战,Multi-qu

10、ark states, glueballs and hybrids have been searched for experimentally for a very long time, but none is established.However, during the past two year, a lot of surprising experimental evidences showed the existence of hadrons that cannot (easily) be explained in the conventional quark model. Most

11、of them are multiquark candidates. Searching for multiquark states becomes the hottest topic in the hadron spectroscopy and high energy physics.BES has also made significant contributions in the multiquark searches.,J/ 粒子,1974年，丁肇中教授（Samuel Chao Chung Ting）和里克特教授（Burton Richter）分别独立地发现了J/粒子, 为此获得诺 贝

12、尔奖。 J/粒子由一个 c 夸克和一个反 c 夸克组成。 事实上 c 夸克是由于J/粒子发现而发现的 （November Revolution) J/粒子的衰变研究是研究轻强子谱和寻找新粒子的理想物理过程。,J/ decays are an ideal and unique factory to search for and study light exotic hadrons:,The production cross section of J/ is high. The production BR of hadrons in J/ decays are one order higher t

13、han decays (“12% rule”). The phase space to 1-3 GeV hadrons in J/ decays are larger than decays. Exotic hadrons are naively expected to have larger or similar production BR to conventional hadrons in J/ decays. Clean background environment compared with hadron collision experiments, e.g., “JP, I” fi

14、lter.,激烈的国际竞争和我们的优势,目前，国际上有二十多个实验进行新型强子的研究，竞争相当激烈。我们的优势在于： 世界上最大的数据样本： 目前已获取 5800 万 J/ 粒子事例数据 北京正负电子对撞机/北京谱仪正进行重大改造，即BEPCII / BESIII工程。2007年完成后将获取比现在大200倍的J/粒子样本。 高统计量 对发现新粒子和新物理至关重要！ BES 在新型强子研究领域处于国际领先地位。,BES 新的 Monte Carlo （MC）模拟软件 SIMBES,侧 面 图,端 面 图,7X6X7米3，500吨,BES Detector,目的：鉴别各种可探测的粒子，测量其动量

15、顶点探测器顶点 注漂移室p，dE/dx 飞行时间计数器 t（v）鉴别 p/K/ 簇射计数器 测 e， 能量, 鉴别 e 计数器鉴别 径迹,北京谱议探测器,大型通用探测器，综合提供以下信息： 粒子鉴别；带电径迹的动量；“电磁”沉积能量 这些信息被用于物理分析的事例选择中 能够探测和鉴别的粒子 带电径迹：e， ， ，K，p （质子最容易鉴别） 中性径迹：,最终在物理分析中重建出原始产生事例,What is Monte Carlo?,Monte Carlo is a name of casino in Monaco. gambling probability Monte Carlo is a tec

16、hnique of simulation based on probability using known theory/model/knowledge.,MC Simulation in HEP,Generator Theoretical model simulation Detector Simulation,高能物理实验中，MC 模拟软件至关重要,探测结果 理论模型 探测效率 为了得到与理论模型可比较的物理结果，必须进行探测效率修正。 通常，探测效率只能由 MC 模拟得出。 因此，MC 模拟软件能否正确模拟实际数据，对能否获得正确的物理结果至关重要！,BES Detector Simul

17、ation,SOBER Width 14 MeV,But IHEP analysis did not confirm the UH result with 67 times larger statistics!,中方 实验分析,最终 pp 不变质量谱,Besides peak, there is a clear enhancement near threshold.,确定共振态质量,threshold,observed peak,BW “peak”,高统计量对确定阈下共振峰的质量至关重要,Final Results: (S-wave ) Now the mass is BELOW THRESH

18、OLD.,BES-II analysis,M=1859 MeV/c2 G 30 MeV/c2 (90% CL),+3 +5 -10 -25,新共振态的意义,很难被解释为常规介子 新型强子共振态 对检验和发展QCD理论有重要意义 质量 2Mp：阈下 可能是人们寻找已久的质子反质子束缚态 （又被称为重子偶素（baryonium） 一种多夸克态）,强烈的国际反响 (I),该文章发表仅两年多已被引用 110次。由于包括该发现在内的近年来国际上一系列新发现，使得多夸克态粒子的寻找和研究成为当前国际高能物理研究的最前沿热点领域。多夸克态粒子研究进展被美国物理学家评为2003年物理学十大进展之一。 欧洲核子

19、研究中心（CERN）著名理论物理学家 J.Ellis 和美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）的理论物理学家S.J.Brodsky分别在有关文章和国际会议报告中称最近这些新发现 “令人惊异”，“增强了发展强相互作用理论的必要性”，说明了“进行e+e-对撞实验的重要性”。 李政道教授也致信高能物理所表示祝贺，信中评价说：“这是一个十分重要的成果，也是物理学上很有意义的工作。”,强烈的国际反响 (II),德国著名强子谱学专家 E.Klepmt 教授将该粒子称为“北京谱仪粒子”，并将这一研究成果列入研究生教材。 物理评论快报（Physical Review Letters）两个评审人均给予很好的评价：

20、“由于北京谱仪等实验多个新发现的共振峰使得存在重子反重子束缚态及多夸克态的问题再次引起很大关注”，“这篇文章研究了关于重子反重子质量阈值增长结构的重要课题。北京谱仪是第一个报道质子反质子质量阈值增长结构的实验。” 在去年举行的世界最大规模的第三十二届国际高能物理大会（ICHEP 2004）上，有三个特邀大会（Plenary）报告（包括大会总结报告）总结或评述了本项研究成果，三个报告均认为北京谱仪新的研究成果显示在重子反重子质量阈值附近存在“强子分子态”或“多夸克态”。,强烈的国际反响 (III),正是由于 BES 实验的一系列新发现，国外其他实验开展了相关的研究工作：美国的 BaBar 实验和

21、日本的 Belle 实验开始寻找研究重子反重子质量阈值奇特增长现象，美国的E687实验开始寻找重子反重子共振态存在的更多证据。 美国、德国、法国、英国、意大利、加拿大、西班牙、葡萄牙、芬兰、以色列、俄国、日本和中国等许多国家的理论物理学家针对本项研究成果进行了直接或相关的各种研究和计算。尤其是最近以研究质子反质子相互作用著称的德国“波恩势”研究组和法国“巴黎势”研究组针对北京谱仪的质子反质子奇特增长结构做了仔细计算。最新完成的各种理论计算均表明应存在质子反质子束缚态。,由中国物理学家的实验结果引发的新的国际前沿研究热点,质子反质子束缚态 (baryonium),+,n,+,-,deuteron

22、:,loosely bound 3-q 3-q color singlets with Md = 2mp- e,baryonium:,loosely bound 3-q 3-q color singlets with Mb = 2mp-d ?,attractive nuclear force,attractive force?,There is lots & lots of literature about this possibility,Observations of this structure in other decay modes are desirable.,E. Fermi,

23、C.N. Yang, Phys. Rev. 76, 1739 (1949) I.S. Sharpiro, Phys. Rept. 35, 129 (1978) C.B. Dover, M. Goldhaber, PRD 15, 1997 (1977) Datta, P.J. ODonnell, PLB 567, 273 (2003) M.L. Yan et al., 六篇文章 B. Loiseau et al., hep-ph/0411218 ,发现 X1835 新粒子,新华社北京2006年1月6日电(记者李斌、吴晶晶)： 中国科学家6日在此间宣布，由中、美、日等国科学家组成的北京谱仪国际合作

24、组，日前在北京正负电子对撞机上进行的北京谱仪实验中观测到了一个新粒子，寿命仅为约10的负23次方秒，暂时命名为X1835，它可能是高能物理实验中寻找了几十年的新型粒子。,2005 年：发现 X(1835) 新粒子,BES 实验（明确地）发现一个新粒子并观测到其完整共振峰结构。质量和寿命与质子反质子末态测量值一致。 X(1835) 粒子的发现支持了 “质子反质子” 束缚态存在的 理论解释。,X(1835),Analysis of,X(1835) 5.1 ,Analysis of,X(1835) 6.0 ,Observation of X(1835) in,The sum +- mass spec

25、trum for decaying into +- and ,Statistical Significance 7.7 ,立刻引起强烈国际反响,该新发现在国际会议上报告后，立刻引起非常地强烈反响。7月1日我们在瑞典举行的国际规模最大的轻子光子大会上报告该结果后，大会主席 Tord Ekelof 教授认为这是最重要的成果，立刻特意安排瑞典国家广播电台对我们进行了采访。他对记者说：“这可能是首次观测到物质和反物质可以通过强作用力形成束缚态的证据，因而非常重要”。 有理论家认为 “It is the most interesting discovery in recent 20 years in h

26、adron spectroscopy”。并引起理论家之间通过 email 热烈讨论。 文章被 Physical Review Letters 直接接收发表。,2004 年：发现 “质子反重子” 质量阈值 奇特增长结构,在 过程中发现 质量阈值奇特增长结构 这一研究成果与以上新发现的质子反质子奇特结构具有同样重要意义：可以被解释为一个由 6 个夸克组成的粒子。 文章已发表于 Phys. Rev. Lett.,BES,2004 年：发现 “K介子重子” 质量阈值的奇特增长结构,对该结构目前很难用普通强子解释而只能用 5 夸克态系统粒子来解释。 多夸克态粒子方面专家张宗烨院士等人的最新计算表明理论上

27、存在该 5 夸克态系统粒子。,去除相空间效应后的不变质量谱,2004 年：观测到 粒子和 粒子,国际上对 、 粒子的存在与否争论了几十年。 BES实验以高统计量证实了 粒子和 粒子的存在。 许多理论家认为 、 粒子是由 4 个夸克组成的“手征” 粒子，是低能量子色动力学的特有行为，对理解真空性质非常重要。,M(+-),2006年最新发现,An mass threshold enhancement is observed,Acceptance,It could be a multiquark/hybrid/glueball state.,DOZI Decays: J/ + + +-0 K+ K-,New observation of a broad 1- - resonance in J/ K+K- 0,Background,J/ K+K- 0,PID and kinematic fit can significantly reduce the dominant background from J/ + - 0.,Parity conservations in J/ K+K-