探索物质深层次结构 和宇宙极早期演化 揭示自然界的对称性和物理规律

1. 探索物质深层次结构和宇宙极早期演化揭示自然界的对称性和物理规律探索物质深层次结构和宇宙极早期演化揭示自然界的对称性和物理规律 吴岳良 (Yue-Liang Wu) 中国科学院理论物理研究所 (ITP-CAS) 重庆邮电大学 2008.4.15

2. 主要内容 对称原理与物理规律 • 自然界中的对称性 • 物理学中的对称性 • 粒子物理中的对称性 CP对称性和CP破坏 • 研究CP破坏的重要性和科学意义 • 重要的科学问题、理论预言和实验验证 • CP破坏位相的起源 、新的物理唯象 粒子物理和宇宙学 • 粒子物理和宇宙学面临的挑战 • 实验上的挑战 （LHC，BEPCII/CLEOC, Planck，……) 对称原理和统一理论 • 最大对称化的最小统一模型(MSMUM) • 自然界最基本问题的探讨 总论和展望、统一和呈展 • 爱因斯坦和统一场论的探索

3. 一、对称原理与物理规律 杨振宁教授：“二十世纪物理学的 主旋律是：量子化、对称性和相因子” 李政道教授:“二十一世纪物理学的 挑战是：夸克禁闭，对称和对称破缺” 周光召教授: “对称性和对称破缺是世界统一性和多样性的根源 ”

4. 自然界中出现的对称 自然界充满了各种对称性 例如：许多动物的左右对称性、太阳的转动对称性、海星的五重对称性、雪花的六重对称性、 ……

5. 日常生活中呈现的左右对称性 泰姬陵

6. 在生命起源过程中， 左右镜像对称破缺. 生命起源：对称破缺的DNA

7. 艺术上：对称破缺美的代表作

8. 物理学中的对称性（Oxford Dictionary of Physics) • 对称性是指一个系统的一组不变性 (The set of invariances of a system) • 数学上，利用群论来研究对称性。 • 自然界的许多对称性本身就是物理的，例如分子的转动与反射、晶格的平移。 • 对称性可以是分离的（具有有限的数目） 例如：八面体分子的转动， 也可以是连续的（具有无限的数目） 例如: 原子或核子的转动。 • 对称性可以是更一般的和抽象的，例如：CPT不变性（ 粒子-反粒子变换、左右镜像变换和时间反演对称性），以及与规范理论相关的对称性

9. 对称性的性质 • 物理学的重要任务之一： 揭示宇宙世界所具有的各种类型的对称性 • 对称性的分类： • 空间对称性： 对空间性质进行变换所对应的对称性 • 时间对称性： 对时间性质进行变换所对应的对称性 • 内部对称性：与时间和空间相独立的变换所体现的 对称性 • 内部对称性：整体对称性和局域对称性

10. 对称破缺(Oxford Dictionary of Physics) • 对称性破缺是指：一个多体系统的基态或相对论量子场论的真空态所具有的对称性比定义这个体系的拉格朗日量或哈密顿量所具有的对称性小的情形。 • 在固体物理中，抗铁磁性和超导就是例子 • 在粒子物理中，电弱统一模型是相对论量子场论中对称性破缺的重要例子

11. 对称破缺与Goldstone 定理(Oxford Dictionary of Physics) • 与对称性破缺相关的一个结论是Goldstone 定理：它是指在具有连续对称性破缺的相对论量子场论中必然存在无质量的粒子－Goldstone玻色子。 • 在固体理论中，Goldstone玻色子是集团激发。 • 规范对称性的破缺是Goldstone 定理的一个例外， 例如：电弱统一模型中的Goldstone玻色子成为有质量的玻色子，即：Higgs玻色子。 • 在多体理论中，长程力也给出一个类似的不同于Goldstone 定理的例子，Higgs玻色子是一个非零能隙的激发。 • Goldstone定理当时是在Gell-Mann－Levy、周光召1960年 提出 PCAC（轴矢量流部分守恒）后，对赝标量  介子的 特殊性质研究中， 于1961年提出的一个重要定理

12. 粒子物理学中的对称性 Symmetry 对称性 Quantum Mechanics 量子力学 Special Relativity 相对论 + + = Elementary Particle Physics 基本粒子物理 ( = High Energy Physics高能物理 = Quantum Field Theory 量子场论 ) t’Hooft

13. 粒子物理学中的对称性 • 在粒子物理学中，可以说，对称性决定了相互作用 • 爱因斯坦的狭义相对论：由Poincare群结构所决定的 描述时间与空间对称性的理论。时间延缓与 长度收缩可以由对称性和四维不变量来理解 • 粒子物理标准模型：四种基本力由规范对称性决定 • U(1) x SU(2) x SU(3) x SO(1,3) 确定了对称群与相互作用的强度以后， 力的所有的行为特征基本就确定了。 • 电磁相互作用：U(1)对称性决定的规范理论.U(1)对称 性可想象为一个在平面上转动的圆的对称性

14. 对称性与守恒律 • 对称性导致守恒律 如：为何过去和现在事物运动的规律是相同的，那是因为运动规律在时间平移的变动中能够保持不变，也就是它具有时间平移的对称性。时间平移对称性导致能量守恒定律。 • 守恒定律在物理中占有非常重要的位置 很长时间内物理学家认为对称性和守恒定律是最美的，也是绝对的，不会受到破坏。自然界出现的非对称现象不反应事物运动的基本规律

15. 大统一理论的对称性 • 根据对称原理，构造具有更大对称性的统一理论 ： SU(5)、SO(10)、…… • 最近理论研究发现，世界的基本结构和相互作用可能都来源于某种高维时空的局域对称性

16. 粒子物理中的对称破坏 左右镜向对称（宇称）破坏： 1956年，李政道和杨振宁发现在微观世界中，左右镜向对称遭到弱相互作用的破坏，科学界才认识到，一些基本规律在一定条件下也存在对称破缺。 弱相互作用 的SU(2)_L 对称性自发破缺： 粒子物理弱电统一模型中，中间玻色子、夸克和轻子质量的起源、夸克之间混合的起源；没有对称破缺，宇宙到处充满了无质量的以光速运动的粒子。世界会变得很单调。 面临的挑战之一： 但模型预言的Higgs粒子还没有找到，对称破缺机制并没有得到验证，成为粒子物理研究的重要方向。欧洲日内瓦建造LHC对撞机的主要目的之一。

17. QCD动力学自发对称破缺 Y.B. Dai and Y-L. Wu, Euro. Phys. J. C 39 s1 (2004)

18. QCD手征动力学对称破坏 强相互作用中 近似整体对称性SU(3)_L x SU(3)_R： 上夸克质量 （up-quark) m_u ~ 5 MeV 下夸克质量 (down-quark) m_d ~ 7 MeV 质子质量 (p ~ uud ) : m_p ~ 980 MeV >> 2m_u + m_d ~ 17 MeV 中子质量 (n ~ udd )： m_n ~ 980 MeV >> m_u + 2m_d ~ 19 MeV 动力学自发破缺：夸克凝聚 动力学夸克质量： m_u ~ m_d ~ m_q ~ 320 MeV m_p ～ m_n ～ 3 m_q～ 980 MeV

19. 反粒子 粒子 右手性 左手性 二、CP对称性和对称破缺 正反粒子和左右镜像  CP 对称性即：正粒子－反粒子、左右镜像反演的对称性,它涉及到空间和物质的基本对称性 CP 对称性和破缺一直是粒子物理学家探索自然界基本规律的前沿领域 通过CP变换相互转换

20. CP对称性和对称破缺  1957年，李政道－杨振宁发现中性K0介子衰变的弱相互作用的宇称(P)反演对称性破坏，获诺贝尔物理奖 1964 年,Cronin 和Fitch 由于发现了CP（正粒子－反 粒子、左右镜像反演的联合对称性）破坏，而荣获 1980年的诺贝尔物理奖。 而Cronin 和Fitch所发现的 CP 破坏是由中性K0介子和它的反粒子之间的混合所 引起的，通常被称为间接CP 破坏（用ε描述）  这样的间接CP 破坏既可以由弱相互作用引起，也可由 新的超弱相互作用 (super weak interaction）引起。

21. 宇宙演化 物质 大爆炸 反物质 CP 对称原理要求 物质数量 = 反物质数量 为何当今的世界只有物质？ 表明CP对称在大爆炸过程中破缺

22. 研究CP破坏的重要意义  不同的夸克和轻子用“味”量子数来描述，由六味夸克和六味轻子作为物质的基本组元而建立的粒子物理标准模型被称为二十世纪理论物理最重要的成就之一。但模型中的CP破坏是人为地放进去的，它的起源并不清楚。 • 怎样才能区分CP破坏是由弱相互作用还是由第五种超弱 相互作用引起，成为粒子物理研究的重大课题 CP破坏作为解释宇宙中物质-反物质不对称的一个必要 条件,但研究发现，标准模型中的CP破坏不足以解释宇 宙中观察到的物质-反物质不对称，需要新的CP源。  这使得CP破坏一直成为粒子物理标准模型中没有解决的谜

23. 重要的科学问题  检验标准模型中的CP破坏  理解CP破坏的起源和机制  寻找CP破坏的新的源  扩展粒子物理标准模型、探讨新的味物理  精确地计算物理过程中涉及到的基本理论参数, 发展 能处理量子色动力学（QCD）非微扰效应的新方法 成为粒子物理最重要的前沿研究方向

24. 直接CP破坏的科学意义 为区分弱相互作用与第五种超弱相互作用，必须测量由衰变振幅引起的直接CP 破坏，用比值ε’/ε来描述，在超弱相互作用模型中ε’/ε＝0，而在弱相互作用模型中ε’/ε ≠0。  测量和计算这个比值ε’/ε不仅对研究直接CP 破坏有着重要意义，而且它对探索自然界新的作用力和理论，以及CP 破坏的起源起着关键性的作用。

25. 探测CP破坏的重要实验  从1964年后，实验和理论物理学家开始致力于对直 接CP 破坏进行研究。在欧洲和美国专门建立了两个K-介子工厂 (欧洲日内瓦核子中心, 美国费 米国家实验室， 为提高精 度，从九十年代初，两个K-介子工厂还都进行过一次新的 彻底的改造） • 目前正在运行的美国和日本两个B-介子工厂， 继续对B介 子衰变中CP破坏进行研究。  在粒子物理发展史上，很少为探测一个物理现象专门建造 这么多大型实验装置, 并坚持几十年的研究。实验精度达 到了千万分之一。由此不难看出, 研究CP破坏的重要性

26. 理论上遇到的原理性困难 难题之一:量子色动力学的微扰和非微扰计算之间的匹配问题。 因如果这个问题不解决，理论预言的结果将依赖于 一个任意能量标度 。 难题之二:奇异夸克质量的不确定性，它可导致直接 CP破坏 ε’/ε的结果在数值上达 2 倍以上的不确定性。 难题之三:任何理论如果要对直接CP 破坏ε’/ε给出可信 和自洽的理论预言，它必须同时能解释ΔI=1/2 同位旋选择规则。因直接CP破坏与ΔI=1/2规则 涉及到同样的强子矩阵元

27. 难题的解决  引进新的函数切断正规化方法，解决了微扰与非微扰之间匹配的难题。  论证一组手征代数关系在量子手征圈图修正下仍然成立。这组关系把直接CP破坏与ΔI=1/2规则联系起来。  消除理论预言中所有可能的大的不确定性

28. 直接CP破坏的理论预言和实验结果  2001年对直接CP破坏给出的更精确的预言 • ε′／ε＝（20±4±5）×10-4 (Y.L. Wu Phys. Rev. D64: 016001,2001)  2002－2003年美国费米国家实验室KTeV组和欧洲 日内瓦NA48组的实验结果 • ε′／ε＝（20.7±2.8）×10-4 (KTeV Collab. Phys. Rev. D67: 012005,2003) • ε′／ε＝（14.7±2.2）×10-4 (NA48 Collab. Phys. Lett. B544: 97,2002)

29. 理论与实验比较 “北京组” 摘自总结评论性论文S. Bertolini, “Theory Status of ‘/ ”, Frascati Phys.Ser.28 275-290 （2002）

30.  ΔI＝ 1/2同位旋选择规则之谜的解释  自然地解释了ΔI＝ 1/2同位旋选择规则这个曾困扰了粒子物理学家近半个多世纪的不解之谜。 实验结果

31. 科学上的重要意义 实验上,第一次确立了自然界中直接CP 破坏的存在 • 理论上,表明它可由标准模型中CP破坏 机制来解释 • 科学上，排除了第五种“超弱相互作 用力”理论

32. CP破坏位相的起源 新的CP破坏源、新的物理唯象 • 标准模型的重大突破之一是引进由单个黑格斯二重态引起的 对称自发破缺机制,使规范粒子,夸克和轻子得到质量.  而要实现CP对称性自发破缺,至少需要两个黑格斯二重态,但基于标准模型创立者格拉肖和温伯格1977提出的自然味守恒假设,CP自发破缺模型一直未能取得重要突破 CP对称性自发破缺

33. CP对称性自发破缺的新物理模型  以CP对称性自发破缺的想法作为主要动机，放弃自然味守恒假设,完整地建立CP对称性自发破缺的双黑格斯二重态模型。 发现当真空自发破缺后，每个夸克和轻子不仅得到质量，还都得到一个物理的CP破坏位相，由两个真空态的相对位相引起  夸克和轻子除了质量和自旋量子数外, 多了CP位相量子数 此模型具有非常丰富的CP破坏源,不仅解释了标准模型中 CP破坏的起源， 还发现了一类重要的新的CP破坏源。导致 许多新的物理唯象可在精度高的实验上进行检验. • 此模型已成为标准模型以外一个简单，并具吸引力的新物 理模型, 被称为模型 III 2HDM。 Y.L. Wu & L. Wolfenstein Phys. Rev. Lett. 73, 1762, 94 Y.L.Wu & Y.F.Zhou Phys. Rev. D64: 115018, 2001;

34. 新物理唯象 一、中子和电子的电耦极矩,中性D-D,Bs-Bs介子混合和CP破坏, B介子辐射衰变和稀有衰变等,这给实验物理学家 寻找新物理提供必要的理论依据。可在更精确的实验上得 到验证，如在超级-B工厂或LHCb等实验上进行检验。 二、S2HDM模型中新的CP破坏源和相互作用可很好地用 来解释最近由美国布鲁克海文国家实验室（Brookhaven） 所观测到的μ子反常磁矩与标准模型中的偏差 三、S2HDM模型可导致味改变的轻子过程μ→eγ， τ→μγ，并接近现有实验精度范围。

35. 粒子物理和宇宙学 • 随着对探索物质深层次结构和宇宙大尺度演化的实验和理论研究的不断深入，粒子物理和宇宙学两者看起来似乎是两个独立的前沿学科，而实际上已成为同一个科学问题的两个不同侧面。 • 它们正发展成为多学科交叉、即将微观、宏观与宇观世界的研究结合起来的一个重要的前沿学科。

36. 早期宇宙： 极端高能量密度状态微观世界

37. 粒子物理标准模型面临的挑战 夸克禁闭之谜 QCD非微扰效应 规范相互作用U(1)xSU(2)xSU(3) SO(1,3)xGL(1,3） 味物理之谜 CP破坏,质量起源 费米－标量相互作用 对称自发破缺之谜 标量场作用势 引力量子化 暗能量和 暗物质之谜 引力相互作用 真空相互作用 能量标度之谜

38. 宇宙学标准模型面临的挑战 大爆炸 宇宙组份 暴涨 Dark Energy暗能量70％ Universe 宇宙 Dark Matter 暗物质90% Matter物质30％ H (77%) Quark Matter 夸克物质10% He (23%) 宇宙学模型：以大爆炸宇宙学标准模型为基础的 暴涨暗能量暗物质夸克物质

39. 引力理论 广义相对论 粒子理论 量子场论 物质结构宇宙演化 统一理论 超弦理论 三个基本理论是研究物质深层次结构和宇宙大尺度演化的基础，任何新理论都必须同时受到高能实验和宇宙观测的检验

40. 粒子物理两个主要研究方向及与宇宙学的联系 一、 规范相互作用 1、QCD的低能动力学和夸克禁闭(夸克物质/中子星) 2、量子引力和统一理论 (早期宇宙起源/暴涨宇宙) 二、 对称破缺和味物理 1、电弱对称破缺机制和Higgs 粒子 2、超出标准模型的新物理 （1）粒子质量起源和CP破坏（物质-反物质不对称） （2）TeV物理和新粒子（超对称/镜像粒子/暗物质等） （3）中微子的特殊性质 （电中性/小质量/大混合） （4）夸克－轻子代数之谜 （味对称性和味动力学） （5）规范等级、能量标度和真空态（暗能量等）

41. 研究目标 • 在精确检验粒子物理和宇宙学标准模型的基础上 • 发展超越粒子物理和宇宙学标准模型的新理论模型 • 探索物质深层次结构和宇宙极早期演化的物理规律 • 揭示极小粒子与极大宇宙间的内在联系和统一规律

42. 实验上的挑战 （一） • 在西欧核子中心（CERN）总造价近80亿美元的大型强子对撞机LHC即将正式投入运行。中国也已经正式参加了LHC国际合作，我国科技部、国家自然基金委员会和科学院向LHC项目投入了约四千万人民币作为第一期科研经费。 • LHC有望揭开粒子物理标准模型电弱规范对称性破缺机制和基本粒子质量起源之谜。对人类认识物质起源和早期宇宙状态将产生划时代的影响。 • 在北京的BEPCII和美国的CLEOC以及日本和美国的两个B－介子工厂等也将会进一步精确检验和发展粒子物理标准模型。

43. 实验上的挑战（二） • 欧洲也将在2008年发射Planck空间卫星实验，进行精确宇宙学研究： • 对宇宙学基本参数进行精确测量（如哈勃常数等） • 对宇宙背景辐射的不均匀性和结构振幅做精确测量 • 对早期宇宙暴涨模型进行检验并探测暗物质的性质 • 因此，Planck空间实验将帮助人类回答现代科学遇到的一个基本问题， 即：宇宙的早期起源，宇宙现在的状态和星系形成，宇宙演化的将来。

44. 实验进展现状 1、LHC（Large Hadron Collision)对撞机实验 检验电弱对称破缺机制,探测超对称粒子 2、(超级)B－介子工厂 (运行和改进） 探测CP破坏和新物理 3、ILC(International Linear Collider) 对撞机实验(设计) 高精度探测新物理 4、中微子实验(运行和建立) SuperK,K2K，KamLand，DayaBay,…… 5、精密实验检验对称性破坏（运行和建立） 轻子数破坏（LFV,2）、时间反演破坏（EDM)、 重子数破坏（BNV）、

45. 6、标准模型精确测量实验 BEPCII、CLEO_C、RICH、LHCb、…… 7、暗能量和暗物质 CMB实验： 包括WMAP进一步的观测以及 Planck实验将精度进一步提高 (2007) Supernovae实验 SNAP实验预期对暗能量的观测能提高几倍 LAMOST实验 8、引力实验 引力波探测：LIGO（地面）、LISA（空间） 爱因斯坦广义相对论的检验 9、宇宙线实验 （包括羊八井实验） 宇宙线起源、－射线爆、中微子爆、……

46. 三、对称原理和统一理论 • 动机和想法（Motivation） • 最大对称化的最小统一模型(MSMUM) • 自然界最基本问题的探讨

47. 动机和想法 • 什么是自然界最基本的组元？ • 什么是自然界最基本的对称性？ • 什么是自然界最基本的力？ • 为什么我们生活的时空是四维的 • 为什么我们生存的物质世界宇称是破坏的

48. 动机和想法 • 为什么只有三代夸克-轻子？ • 质子的稳定性如何？ • 中微子的绝对质量到底多大？ Dirac or Majorana • CP破坏的起源是什么？ • 暗物质粒子是什么？ • 暗能量的本质是什么？

49. 统一理论探索 From Bottom to Up (从下往上) Observation Symmetry 观测对称性 Phen. Model Theory 唯象 模型 理论

50. 粒子理论 标准模型 U(1) SU(2) SU(3) U(1)xSU(2)xSU(3) t’Hooft