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1、关于探寻超出标准模型的新粒子2022/12/101第一页，本课件共有20页2022/12/102标准模型微观粒子之间的基本相互作用是：微观粒子之间的基本相互作用是：SU(3)色规范色规范相互作用和相互作用和 SU(2)U(1)电弱相互作用，他电弱相互作用，他们分别具有确定的规律并且具有确定的对称性。们分别具有确定的规律并且具有确定的对称性。微观物质由具有这些相互作用性质的微观物质由具有这些相互作用性质的 61 种粒子组成，种粒子组成，它们是：光子、它们是：光子、3 种弱相互作用的中间玻色子、种弱相互作用的中间玻色子、8 种胶子、种胶子、6 种轻子、种轻子、6 种反轻子、种反轻子、18 种夸克、
2、种夸克、18 种反夸克、种反夸克、1 种中性的种中性的 Higgs 粒子。这些粒粒子。这些粒子的存在是与这些相互作用密切相关的。子的存在是与这些相互作用密切相关的。第二页，本课件共有20页2022/12/103超出标准模型超出标准模型的可能途径：超出标准模型的可能途径：1。存在新的还没有观察到的相互作用，这种相互作。存在新的还没有观察到的相互作用，这种相互作用可能在现有实验范围内还观察不到它的显著效用可能在现有实验范围内还观察不到它的显著效应；应；2。微观物质世界具有新的对称性，这种对称性。微观物质世界具有新的对称性，这种对称性现在还没有被观察到，很可能是一种已经破缺现在还没有被观察到，很可能
3、是一种已经破缺了的对称性。了的对称性。第三页，本课件共有20页2022/12/104Higgs 粒子参与的相互作用如果如果 Higgs 粒子确实存在，虽然它可以参与和规粒子确实存在，虽然它可以参与和规范粒子的相互作用，但范粒子的相互作用，但 Higgs 粒子的自作用，粒子的自作用，它和费米子的汤川相互作用，都已经超出标准它和费米子的汤川相互作用，都已经超出标准模型的范围。模型的范围。因此，和因此，和 Higgs 粒子参与的相互作用有关的物理粒子参与的相互作用有关的物理是超出标准模型的物理。也就是说是超出标准模型的物理。也就是说 Higgs 粒粒子参与的物理是超出标准模型的物理。子参与的物理是超
4、出标准模型的物理。第四页，本课件共有20页2022/12/105Higgs 粒子作为相互作用的媒介粒子实现的物理过程粒子作为相互作用的媒介粒子实现的物理过程是超出标准模型的物理过程。是超出标准模型的物理过程。首先要找到首先要找到 Higgs 粒子，才能观测粒子，才能观测 Higgs 粒子参粒子参与的相互作用过程，探究与此相关的超出标准与的相互作用过程，探究与此相关的超出标准模型的物理。模型的物理。在最小标准模型中认为自然界中只存在一种中性的在最小标准模型中认为自然界中只存在一种中性的 Higgs 粒子，这个粒子的性质已经比较清楚了。粒子，这个粒子的性质已经比较清楚了。一旦这种粒子被发现，就可以
5、在此基础上研究一旦这种粒子被发现，就可以在此基础上研究 Higgs 粒子作为相互作用的媒介粒子的物理过粒子作为相互作用的媒介粒子的物理过程。程。第五页，本课件共有20页2022/12/106但是但是 Higgs 粒子可以不只是一种中性的，有可能存在粒子可以不只是一种中性的，有可能存在几个中性的几个中性的 Higgs 粒子，还可能有几个带电的粒子，还可能有几个带电的 Higgs 粒子。粒子。如果找到的如果找到的 Higgs 粒子不仅是中性的，还可以有粒子不仅是中性的，还可以有带电的，则带电的，则 Higgs 粒子有关的物理将是一个丰富粒子有关的物理将是一个丰富多彩的领域，这是一个与标准模型相近的
6、超出标准多彩的领域，这是一个与标准模型相近的超出标准模型的物理领域。模型的物理领域。如果存在不止一种如果存在不止一种 Higgs 粒子，它们的质量并不相粒子，它们的质量并不相同，它们的运动行为也不相同。很可能其中一个中同，它们的运动行为也不相同。很可能其中一个中性的性的 Higgs 粒子质量最低，其它的质量比它高，粒子质量最低，其它的质量比它高，甚至高一个数量级。甚至高一个数量级。第六页，本课件共有20页2022/12/107多 Higgs 粒子的情形粒子的情形几种可能的多几种可能的多 Higgs 粒子的情形：粒子的情形：H0,H0,f f0,f f+,f f-H0,f f0,f f+,f f
7、-H0,H0,f f0,f f+,f f-,f f+,f f-其中第一种情形中其中第一种情形中 5 种种 Higgs 粒子的质量没有直接粒子的质量没有直接的限制和约束。后的限制和约束。后 2 种情形中种情形中 H0 的质量较轻，其的质量较轻，其它的它的 Higgs 粒子质量至少要比粒子质量至少要比 H0大一个量级。大一个量级。这些重这些重 Higgs 粒子质量很重，但衰变宽度很小，是窄粒子质量很重，但衰变宽度很小，是窄宽度粒子，宽度粒子，G G/m 0.01，很小，这是有利于辨认很小，这是有利于辨认的特征。的特征。第七页，本课件共有20页2022/12/108现在实验上还没有发现现在实验上还没
8、有发现 Higgs 粒子，实验给出中性粒子，实验给出中性 Higgs 粒子质量的下限为粒子质量的下限为 m 114.4 GeV,CL=95%.Higgs 粒子是极不稳定的粒子，它的衰变道很多，粒子是极不稳定的粒子，它的衰变道很多，很难辨认。寻找很难辨认。寻找 Higgs 粒子参与的物理过程是新粒子参与的物理过程是新物理的表现。考虑到物理的表现。考虑到Higgs 粒子的质量很大，实粒子的质量很大，实验上寻找验上寻找Higgs 粒子，以及观测粒子，以及观测Higgs 粒子参粒子参与的过程，都需要很高能量的碰撞才能实现。与的过程，都需要很高能量的碰撞才能实现。在在 LHC 上可以进行这些实验。上可以
9、进行这些实验。第八页，本课件共有20页2022/12/109新的弱相互作用新的弱相互作用如果电弱相互作用实际上不是如果电弱相互作用实际上不是 SU(2)x U(1)规范相规范相互作用，而是更高对称性的规范相互作用，这就是互作用，而是更高对称性的规范相互作用，这就是引入了新的弱相互作用。过去研究得较多的几种更引入了新的弱相互作用。过去研究得较多的几种更高对称性的情形是：高对称性的情形是：SU(2)L x U(1)x U(1),增增 Z SU(2)L x SU(2)R x U(1),增增 W+R,W-R,ZR SU(3)x U(1).增增 5 个重规范粒子个重规范粒子新增加的规范粒子就是新的弱相互
10、作用的媒介粒子。新增加的规范粒子就是新的弱相互作用的媒介粒子。由于这些新增加的规范粒子比已知的由于这些新增加的规范粒子比已知的 W，Z 重重很多，在现在的能量范围内，新的弱相互作用的很多，在现在的能量范围内，新的弱相互作用的效应被弱相互作用所掩盖，导致新的弱相互作用效应被弱相互作用所掩盖，导致新的弱相互作用一直没有被发现。一直没有被发现。第九页，本课件共有20页2022/12/1010如果有新的弱相互作用，就预言将存在并可以观察如果有新的弱相互作用，就预言将存在并可以观察到多个新的规范玻色子和多个新增加的到多个新的规范玻色子和多个新增加的 Higgs 粒粒子。但这些新的规范玻色子和子。但这些新
11、的规范玻色子和 Higgs 粒子的质粒子的质量都远远高于现在已经发现的量都远远高于现在已经发现的 Z 粒子。粒子。在高能范围有可能观察到新的弱相互作用的显著物在高能范围有可能观察到新的弱相互作用的显著物理效应，也才有可能观测到新的规范玻色子和新理效应，也才有可能观测到新的规范玻色子和新的的 Higgs 粒子。估计在粒子。估计在 LHC 上可以进行这些实上可以进行这些实验。验。第十页，本课件共有20页2022/12/1011新的强相互作用新的强相互作用如果存在新的还没有观察到的相互作用，这种相如果存在新的还没有观察到的相互作用，这种相互作用可能在现有实验范围内还观察不到它的互作用可能在现有实验范
12、围内还观察不到它的显著效应。这种相互作用应该是一种比色作用显著效应。这种相互作用应该是一种比色作用更强的相互作用，并且应该是一种非常短程的更强的相互作用，并且应该是一种非常短程的相互作用。相互作用。现在已经发现的夸克、轻子都不能直接参与这种现在已经发现的夸克、轻子都不能直接参与这种相互作用，至少在相互作用，至少在 100 GeV 能量以下范围内不能量以下范围内不能参与这种相互作用。能参与这种相互作用。如果是规范相互作用，则这种相互作用是一种非如果是规范相互作用，则这种相互作用是一种非 Abel 规范场，强耦合、短程。规范场，强耦合、短程。第十一页，本课件共有20页2022/12/1012 过去
13、理论上提出的彩色（过去理论上提出的彩色（technicolor）相互作用就）相互作用就是这种相互作用。是这种相互作用。色相互作用只有在能量在色相互作用只有在能量在 GeV 量级的碰撞中才能显量级的碰撞中才能显现出来，能参与色相互作用的粒子现出来，能参与色相互作用的粒子夸克和胶子夸克和胶子也才能在碰撞中产生和被观察到。可以预期，新也才能在碰撞中产生和被观察到。可以预期，新的强相互作用只有在的强相互作用只有在 TeV 量级或更高能量的碰撞量级或更高能量的碰撞中才能显现出来，也只有在这能量下新的强相互作中才能显现出来，也只有在这能量下新的强相互作用的媒介粒子才能产生和被观察到。用的媒介粒子才能产生和
14、被观察到。第十二页，本课件共有20页2022/12/1013在在 GeV 量级的碰撞中产生正反夸克对和胶子是以强量级的碰撞中产生正反夸克对和胶子是以强子喷注的形式被观测到的，夸克和反夸克表现为喷子喷注的形式被观测到的，夸克和反夸克表现为喷注，胶子则表现为一个胖喷注。类比之下，可以预注，胶子则表现为一个胖喷注。类比之下，可以预期，在期，在 TeV 量级的碰撞中产生具有新的强相互作用量级的碰撞中产生具有新的强相互作用能力的新粒子和新的强相互作用的媒介粒子也将以能力的新粒子和新的强相互作用的媒介粒子也将以某种形式的超喷注出现。某种形式的超喷注出现。期望在期望在 LHC 的实验中能观测到。的实验中能观
15、测到。第十三页，本课件共有20页2022/12/1014超对称性微观物质世界具有新的对称性，这种对称性现在还没微观物质世界具有新的对称性，这种对称性现在还没有被观察到，很可能是一种已经破缺了的对称性。有被观察到，很可能是一种已经破缺了的对称性。现在研究得比较多的是超对称性。如果微观世界现在研究得比较多的是超对称性。如果微观世界具有超对称性，按照超对称标准模型，所有的具有超对称性，按照超对称标准模型，所有的粒子，包括规范粒子，都有它的超对称配偶粒子，包括规范粒子，都有它的超对称配偶。并且并且 Higgs 粒子的数量也将大大增加。这样微观世粒子的数量也将大大增加。这样微观世界的粒子至少比标准模型中
16、有的增加一倍。界的粒子至少比标准模型中有的增加一倍。由于超对称性在很高能量就已经破缺，所有这些由于超对称性在很高能量就已经破缺，所有这些超对称配偶粒子可能都具有很重的质量，很可超对称配偶粒子可能都具有很重的质量，很可能都在能都在 100 GeV 以上。以上。第十四页，本课件共有20页2022/12/1015按照最小超对称标准模型，还应该存在的超对称性按照最小超对称标准模型，还应该存在的超对称性配偶粒子有：光微子、配偶粒子有：光微子、6 种带电微子、种带电微子、6 种中性种中性微子、微子、8 种胶微子、种胶微子、6 种标量轻子、种标量轻子、6 种标量种标量反轻子、反轻子、18 种标量夸克、种标量
17、夸克、18 种标量反夸克。它种标量反夸克。它们都应有很重的质量，可以在高能碰撞中产生。们都应有很重的质量，可以在高能碰撞中产生。这些配偶粒子的性质和运动行为都是已知的，并且这些配偶粒子的性质和运动行为都是已知的，并且它们可以互相转化，很可能最轻的配偶粒子是稳它们可以互相转化，很可能最轻的配偶粒子是稳定的，如果是这样，可能自然界存在很重的稳定定的，如果是这样，可能自然界存在很重的稳定粒子。粒子。第十五页，本课件共有20页2022/12/1016宇宙线物理和宇宙学给出的启示1972 年云南宇宙线站观测到一个长寿命的带电重年云南宇宙线站观测到一个长寿命的带电重粒子粒子 C+，这个新的带电重粒子的性质
18、为：，这个新的带电重粒子的性质为：质量质量 m 43 GeV；寿命；寿命 t 0.406 x 10-9 sec.如果它不稳定，可以衰变成中性的如果它不稳定，可以衰变成中性的 C0，C0 的质量的质量 m 42.7 GeV。如果如果 C+和和 C0 确实存在，都不是标准模型要求存在确实存在，都不是标准模型要求存在的粒子，也不是标准模型粒子组成的复合粒子，都的粒子，也不是标准模型粒子组成的复合粒子，都是超出标准模型的新粒子。是超出标准模型的新粒子。第十六页，本课件共有20页2022/12/10171979 年年 Kolar 金矿矿井实验中观察到一个金矿矿井实验中观察到一个“双芯双芯”事例，表现为两
19、个能量分别为事例，表现为两个能量分别为 100 GeV 和和 80 GeV 的簇射，它们之间的夹角是的簇射，它们之间的夹角是 26 度。度。如果这事例是来自一个重粒子的衰变，则这个重粒如果这事例是来自一个重粒子的衰变，则这个重粒子的质量的下限是子的质量的下限是 40.2 GeV。如果这事例是来自一个粒子和核子的碰撞，不先验地如果这事例是来自一个粒子和核子的碰撞，不先验地假定是由零质量的中微子引起的反应，则定出这个假定是由零质量的中微子引起的反应，则定出这个入射粒子质量的下限是入射粒子质量的下限是 35.8 GeV。这实验也表明可能有长寿命或稳定的中的带电的这实验也表明可能有长寿命或稳定的中的带
20、电的或中性的粒子存在，其质量也至少是质子的数或中性的粒子存在，其质量也至少是质子的数十倍以上。十倍以上。第十七页，本课件共有20页2022/12/10181980 年巴西年巴西-日本组在超高能宇宙线实验中观测到日本组在超高能宇宙线实验中观测到“Centauro”事例，事例，1984 年帕米尔协作组也在超年帕米尔协作组也在超高能宇宙线观测中观测到高能宇宙线观测中观测到“Centauro”事例。这事例。这种事例入射粒子能量很高，碰撞产生的次级粒子种事例入射粒子能量很高，碰撞产生的次级粒子不多，能量很大，例如有一个事例中次级粒子能不多，能量很大，例如有一个事例中次级粒子能量和为量和为 7 x 101
21、4 eV。但是在次级粒子中没有光。但是在次级粒子中没有光子、子、p p0 介子、介子、h h 介子。介子。Centauro 事例是很奇特的现象，不能用粒子物事例是很奇特的现象，不能用粒子物理和核物理中的各种碰撞模型来解释，也很难理和核物理中的各种碰撞模型来解释，也很难以在标准模型的基础上理解和解释。以在标准模型的基础上理解和解释。第十八页，本课件共有20页2022/12/1019宇宙中存在大量暗物质，组成冷暗物质的粒子是中性宇宙中存在大量暗物质，组成冷暗物质的粒子是中性的稳定的或寿命近于宇宙年龄的重粒子。这种粒子的稳定的或寿命近于宇宙年龄的重粒子。这种粒子肯定是超出标准模型的粒子，需要设法从实验上找肯定是超出标准模型的粒子，需要设法从实验上找到这种粒子。如果这种冷暗物质粒子的质量在到这种粒子。如果这种冷暗物质粒子的质量在 GeV 量级内，还是有希望能在量级内，还是有希望能在 LHC 的实验中能找到的实验中能找到这种粒子。这种粒子。需要着重在需要着重在 LHC 上寻找各种性质和各种类型的上寻找各种性质和各种类型的超出标准模型的新粒子。超出标准模型的新粒子。第十九页，本课件共有20页2022/12/10感谢大家观看第二十页，本课件共有20页