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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 吴岳良吴岳良 ( (Yue-LiangYue-Liang Wu) Wu) 中国科学院理论物理研究所中国科学院理论物理研究所 (ITP-CAS)(ITP-CAS) 重庆邮电大学重庆邮电大学 2008.4.152008.4.15 主要内容 对称原理与物理规律 l自然界中的对称性 l物理学中的对称性 l粒子物理中的对称性 CP对称性和CP破坏 l研究CP破坏的重要性和科学意义 l重要的科学问题、理论预言和实验验证 lCP破坏位相的起源 、新的物理唯象 粒子物理和宇宙学 l 粒子物理和宇宙学面临的挑战 l实验上的挑战 （LHC，BE
2、PCII/CLEOC, Planck，) 对称原理和统一理论 l 最大对称化的最小统一模型(MSMUM) l 自然界最基本问题的探讨 总论和展望、统一和呈展 l爱因斯坦和统一场论的探索 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 ” 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、 日常生活中呈现的左右对称性 泰姬陵泰姬陵 生命起源
3、：对称破缺的生命起源：对称破缺的DNADNA 在生命起源过程中， 左右镜像对称破缺. 艺术上：对称破缺美的代表作艺术上：对称破缺美的代表作 物理学中的对称性 （Oxford Dictionary of Physics) l对称性是指一个系统的一组不变性 (The set of invariances of a system) l数学上，利用群论来研究对称性。 l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。 l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。 l对称性可以是更一般的和抽象的，例如
4、：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 对称性的性质 l 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 l对称性的分类： l空间对称性： 对空间性质进行变换所对应的对称性 l时间对称性： 对时间性质进行变换所对应的对称性 l内部对称性：与时间和空间相独立的变换所体现的 对称性 l内部对称性：整体对称性和局域对称性 对称破缺 (Oxford Dictionary of Physics) l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
5、形。 l在固体物理中，抗铁磁性和超导就是例子 l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 对称破缺与Goldstone 定理 (Oxford Dictionary of Physics) l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。 l在固体理论中，Goldstone玻色子是集团激发。 l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。 l在多体理论中，长程力也给出一
6、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。 lGoldstone定理当时是在Gell-MannLevy、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 ( = High Energy Physics( = High Energy Physics 高能物理高能物理 = Quantum Field Theory = Quantum Field Theory 量子场论量子场论 ) ) Elementary Particle Physics 基本粒子物理 Quantum Mechani
7、cs 量子力学 Special Relativity 相对论 + = tHooft 粒子物理学中的对称性粒子物理学中的对称性 SymmetrySymmetry 对称性对称性 + 粒子物理学中的对称性 l在粒子物理学中，可以说，对称性决定了相互作用 l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 l粒子物理标准模型：四种基本力由规范对称性决定 l 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。 l电磁相互作用：U(1)对称性
8、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 对称性与守恒律 l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。 l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 大统一理论的对称性 l根据对称原理，构造具有更大对称性的 统一理论 ： SU(5)、SO(10)、 l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
9、的 局域对称性 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。 QCDQCD动力学自发对称破缺
10、动力学自发对称破缺 Y.B. Dai and Y-L. Wu, Euro. Phys. J. C 39 s1 (2004) 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
11、 m_n 3 m_q 980 MeV 二、CP对称性和对称破 缺 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 反粒子粒子 右手性左手性 通过CP变换相互转换 正反粒子和左右镜像 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 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。 1964 年,Cronin 和Fitch 由于发现了
12、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 （用描述） 宇宙演化宇宙演化 大爆炸 物质 反物质 为何当今的世界只有物质？ CP 对称原理要求 物质数量 = 反物质数量 表明CP对称在大爆炸过程中破缺 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破坏是人为为地放进进去的，它的起源并不清楚
13、。 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破坏一直成为为粒子物理标标准模型中没有解决的谜谜 重要的科学问题 成为粒子物理最重要的前沿研究方向 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 直接CP破坏的科学意义 为
14、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/来描述，在超弱相互作 用模型中/0， 而在弱相互作用模型中/ 0。 测量和计算这个比值/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。 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） 在粒子物理发展史上，很少为探测一个物理现象专门
15、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 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。 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 /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/给出可信 和自洽的理论预言，它必须同时能解释I=1/2 同位旋选择规则。因直接CP破坏与I=1/2规则 涉及到同样的强子矩阵元 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I=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 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 l （2045）10-4 (Y.L. Wu Phys. Rev. D64: 016001,2001) 20022003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 l l （20.72.820.72.8）1010-4 -4 (KT
