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1、粒子物理学的对称性及粒子物理学的对称性及其破缺其破缺中国科学院高能物理研究所中国科学院高能物理研究所(http:/)吕才典吕才典CD Lu1研究粒子物理的理论工具研究粒子物理的理论工具 n微观微观 量子性量子性 量子力学量子力学相对论性量子场论相对论性量子场论规范相互作用杨-米尔斯规范场理论n高速(光速)相对论性 相对论 n粒子数可变 自由度数可变 场论 光速的光速的99.9999%CD Lu2研究对称性研究对称性n52张扑克牌：张扑克牌：113 Z13 循环群循环群n红的：红的：，黑的：，黑的：Z2 循环群循环群n桃：桃：，花花：，Z2 循环群循环群nG=Z13 xZ2 xZ2 一个元素对应
2、一张牌一个元素对应一张牌 还需要还需要群论群论有趣的数学有趣的数学CD Lu3研究对称性研究对称性n52张扑克牌抽走一张，然后把张扑克牌抽走一张，然后把51张牌张牌随机随机分给甲乙二人，乙只要告诉甲分给甲乙二人，乙只要告诉甲一张牌一张牌，甲就，甲就可以知道可以知道缺的是哪一张牌缺的是哪一张牌n首先：首先：Z13 循环群，循环群，所有的牌点的和是所有的牌点的和是13的的整数倍，整数倍，乙只需要告诉甲自己乙只需要告诉甲自己牌点的和被牌点的和被13除的除的余数余数甲就可以知道甲就可以知道所缺牌的点数所缺牌的点数CD Lu4研究对称性研究对称性n然后然后Z2 循环群循环群，n乙数自己乙数自己红牌的张数
3、，如偶数叫红牌的张数，如偶数叫，奇数，奇数叫叫nZ2 桃牌的张数：桃牌的张数：如偶数叫如偶数叫 ，奇数叫，奇数叫 n所缺的牌的所缺的牌的花色花色也就知道了也就知道了CD Lu5Quark modelmeson（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：CD Lu6质量公式预言质量公式预言 m-1
4、670 MeV实验实验 m-1672.45 0.29 MeVsI3K+(us)K0(ds)-(u d)+(ud)K-(su)0 K0(sd)sI3K*+K*0-K*-+K*0 0 sI3n(udd)p(uud)-(dds)0(uds)0+(uus)-(dss)0(uss)(sss)0-+0*-*+(ddd)(udd)(uud)(uuu)(dds)(uds)(uus)*-*0(uss)(dss)-自旋为自旋为00=uu-dd2 自旋为自旋为1SU(3)不是严格的，不是严格的，明显破缺明显破缺CD Lu7 标准模型未解决的问题：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
5、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目前实验目前实验：mH 60 GeV V()0CD Lu8MatterAnti Matter反物质到哪儿去了反物质到哪儿去了?CD Lu9物质物质反反物质不对称的条件物质不对称的条件 Sakharov(1960s)n存在存在改变重子数改变重子数的相互作用的相互作用 例如：大统一理论例如：大统一理论nC和和CP变换变换都不守恒都不守恒n早期宇宙中存在过对早期宇宙中存在过对热平衡的偏离热平衡的偏离 三条件缺一不可三条件缺一不可CD Lu10宇称宇称(P)变换变换n宇称变换宇称变换(镜像变
6、换镜像变换)在在强和电磁作用强和电磁作用下不变下不变n宇称宇称(P)破坏破坏首先由李政道首先由李政道和杨振宁提出和杨振宁提出,只在只在弱作用弱作用中中存在存在CD Lu11 疑难疑难 nK0,K0-bar are flavor(interaction)eigenstatesnKS（）pi pinKL（）pi pi pin两种粒子两种粒子质量、质量、电荷电荷一样，但是一样，但是宇称宇称不一样不一样n是否同一种粒子？是否同一种粒子？n 宇称不守恒宇称不守恒CD Lu121957年吴健雄实验年吴健雄实验 自旋自旋CD Lu13C and CP transformationnC：charge conj
7、ugation，e e+nC parity also violated in weak interactionnBut CP conserved in most casesn弱作用拉氏量：弱作用拉氏量：左手流左手流n电磁流：电磁流：矢量流矢量流左旋左旋夸克，夸克，右旋右旋反夸克反夸克CD Lu141957年吴健雄实验年吴健雄实验 自旋e+C变换自旋CD Lu15“基本基本”粒子三代费米粒子三代费米子子CD Lu16弱作用拉矢量弱作用拉矢量n弱作用拉氏量：弱作用拉氏量：左手流左手流n质量项：质量项：n质量本征态质量本征态 弱作用本征态弱作用本征态n三代夸克需要三代夸克需要3x3 矩阵（矩阵（CK
8、M）描写混合描写混合CD Lu17 d Vud Vus Vub d s =Vcd Vcs Vcb s b Vtd Vts Vtb b +O(4)KM矩阵（矩阵（Kobayashi,Maskawa）小林小林和益川和益川CD Lu182 x 2 混合混合n只需要只需要一个参数一个参数，没有相角，没有相角n所以不可能有所以不可能有CP破坏破坏CD Lu19CP violationn CP violation first found in K system in 1960s，small only 0.2%,KL pi pi nRecently also found in B decays-largen
9、B0 J/KS mixing and decay Sin20.7CD Lu20KS-KL mixing CD Lu21KS KL Oscillation nKS regeneration through oscillationnK0,K0-bar are flavor(interaction)eigenstatesnKS 寿命短寿命短nKL 寿命长寿命长500倍CD Lu22CPT定理定理nT：时间反演变换时间反演变换nCPT定理：定理：对定域场，如满足对定域场，如满足Lorentz变换变换不变，并符合自旋统计关系，不变，并符合自旋统计关系，CPT变换不变变换不变n正反粒子有相同的质量，寿命。
10、正反粒子有相同的质量，寿命。CD Lu23CPT定理的实验检验定理的实验检验n至今至今没有没有CPT破坏的实验证据破坏的实验证据CD Lu24电子夸克只有高能电子才能达到核子的内部与夸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克相互作用，从而揭示核子的内部结构和相互作用性质和相互作用性质 E=Mc2 高能对撞机世界是粒子内部高能对撞机世界是粒子内部结构的重要方法结构的重要方法德国的 DESYCD Lu25B介子工厂介子工厂美国美国 SLAC日本日本 KEK3.5 GeV e+8 GeV e-对撞对撞研究研究 CP破坏起源，破坏起源，P 宇称（空间反演）宇称（空间反演）
11、C 正反粒子变换正反粒子变换 T 时间反演时间反演 P,C,T,破坏都已发现破坏都已发现 CP破坏破坏也已发现也已发现 CPT 不变性一直很好不变性一直很好CD Lu26KEKSLACCurrent B factoriesBaBarPEPIIKEKBBelleCD Lu27 d Vud Vus Vub d s =Vcd Vcs Vcb s b Vtd Vts Vtb b Unitarity Vud Vub*+Vcd Vcb*+Vtd Vtb*=0The triangles are measured mainly through non-leptonic B(bd)decaysFor examp
12、le:by B,by BJ/K,K VudVub*VtdVtb*by BK,BsK,VcdVcb*CD Lu28CKM 测量现状测量现状CD Lu29Time-dependent CP violation in B0 decaysB0J/yKSCD Lu30CP破坏的观测量破坏的观测量nPhase is not physical quantity nNot measurablen No CP violation,if no interferenceCD Lu31Direct CP ViolationCD Lu32Direct CP ViolationnRequire two kinds of
13、decay amplitudes with:nDifferent weak phases (SM)nDifferent strong phases need hadronic calculation,usually non-perturbativeCD Lu33B ,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,O6O1,O2(K)CD Lu34Strong phase is important for
14、direct CPnBut usually comes from non-perturbative dynamics,for exampleDKKKnFor B decay,perturbative dynamic may be more importantCD Lu35Non-leptonic B decays:nStudy of CP violation mixing-induced and direct CP violationnCKM angle measurement:,nTest of standard modelnSignal of new physicsn CD Lu36Pic
15、ture of PQCD Approachhard interaction inside the dotted line4-quark operatorb(5.3GeV)CD Lu37strong phase in short distanceWhen the Wilson coefficients calculated to next-to-leading order,the vertex corrections can give strong phaseCD Lu38Cut quark diagram Sum over final-state hadronsOn-shellOff-shel
16、lhadronsInclusive DecayCD Lu39CP Violation in B (K)(real prediction before exp.)CP(%)FABBNSPQCDExp+K+93+5917511.51.8+K 01.7 0.11 11.00.52 4 0K+8 27 913 4+4 4+53612+3010+3710(2001)(2004)CD Lu40New physics at TeVnPromising hypotheses that predict new elementary particles in the TeV scale(SUSY,extra-di
17、mension,etc.)nMore ambitious proposals that incorporate flavor symmetries(and violation)to answer the deeper questions of flavor physics.New CP-violating phases and new interactions of quarks and leptons almost expectableCD Lu41New physics at TeVNew particles must come with New Flavor Mixing.Many mo
18、dels/hypotheses Experiments should decideCD Lu42Extended flavor structureVCKM(A,l,h)Left-handed current,quark mixing and CPVRight-handed current,quark mixing and CPVNew left-handed current,quark mixing and CPVLeft-Right mixingCD Lu43强、弱、电三种力的大统一强、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
19、Q2 GeV1015101SU(2)SU(3)U(1)SU(5)1/451CD Lu44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 对称超对称超对称CD Lu45质量的起源质量的起源n例如强相互作用的例如强相互作用的结合能结合能给出给出原子核的主原子核的主要质量要质量n电磁相互作用的电磁相互作用的结合能结合能+电子和原子核的质电子和原子核的质量量原子的质量原子的质量n电子和夸克的电子和夸克的“内禀内禀”质量？质量？Yukawa耦合耦合?n内部结构？内部结构？-未知的未知的第五种第五种相互作用相互作用CD
20、 Lu46质量的起源质量的起源n在标准模型中，夸克与轻子通过在标准模型中，夸克与轻子通过Higgs机制机制和和Yukawa相互作用相互作用获得质量，获得质量，n但理论本身无法预言质量的大小。但理论本身无法预言质量的大小。n电子质量电子质量0.5 MeV,u、d夸克几个夸克几个MeV,而而top夸克夸克 175GeV，相差相差30万倍万倍。n为什么差别这么大？为什么差别这么大？阶梯性、阶梯性、跷跷板跷跷板CD Lu47历史的回顾历史的回顾n19世纪末世纪末20世纪初，世纪初，麦克斯韦方程麦克斯韦方程统一了电和磁。统一了电和磁。n许多科学家，包括很多的许多科学家，包括很多的物理大家物理大家认为，物
21、理学认为，物理学已经走到了尽头，只剩下了已经走到了尽头，只剩下了“修修补补修修补补”的小事的小事情。情。n但是蔚蓝的天空还有两朵但是蔚蓝的天空还有两朵“小小的乌云小小的乌云”：-传播光的介质传播光的介质“以太以太”没有找到；没有找到；黑体辐射没有解释黑体辐射没有解释n但正是这两朵但正是这两朵小小的乌云小小的乌云引发了物理学的革命引发了物理学的革命-相对论相对论和和量子理论量子理论CD Lu48历史上的粒子物理！历史上的粒子物理！n几十年来高能物理实验研究和理论探索对提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。高人类认识水平作出了重大贡献。n从从1901年开始颁发年开始
22、颁发诺贝尔奖诺贝尔奖起，已有一百多起，已有一百多位物理学家获得了诺贝尔物理奖，位物理学家获得了诺贝尔物理奖，n其中其中有有42位位与与粒子物理粒子物理有关，是物理学中获有关，是物理学中获诺贝尔奖最多诺贝尔奖最多的一门分支。的一门分支。-物理学的物理学的20世纪世纪CD Lu4921世纪初的的粒子物理！世纪初的的粒子物理！n“标准模型标准模型”已经建立已经建立n各种实验结果都与各种实验结果都与标准模型标准模型预言基本符合预言基本符合n随着加速器能量的提高，新的实验难度越来随着加速器能量的提高，新的实验难度越来越大越大-资金困难资金困难。n高能物理的高能物理的未来未来？能预言吗能预言吗?CD Lu
23、50费米子费米子“代代”和和“味道味道”之谜之谜为什么恰好有三代为什么恰好有三代？为什么有不同的质量为什么有不同的质量?CP 破坏问题破坏问题？物质和反物质不对称物质和反物质不对称CD Lu5121世纪初的的粒子物理！数朵乌云在闪烁：物质的最小单元是什么？轻子和夸克为什么有三代？质量的起源在哪里？它们的质量差别为什么那么大？中微子究竟是否存在质量？反物质、暗物质的疑问？CP起源有没有其他形式的物质？Higgs粒子存在吗？。CD Lu5221世纪世纪-生命科学的世纪生命科学的世纪？n20世纪末世纪末21世纪初，电弱统一理论基础上世纪初，电弱统一理论基础上的的标准模型标准模型很好地与实验符合。很好地与实验符合。n许多科学家，包括很多的许多科学家，包括很多的粒子物理大家粒子物理大家认认为，粒子物理学已经走到了尽头，为，粒子物理学已经走到了尽头，21世纪世纪是是生命科学生命科学的世纪的世纪n但是蔚蓝的天空但是蔚蓝的天空还有几朵小小的乌云还有几朵小小的乌云：-对称破缺的对称破缺的“Higgs”粒子没有找粒子没有找到；到；质量起源没有解释。质量起源没有解释。CD Lu53Thank you!CD Lu54