中微子振荡和味动力学

中微子振荡和味动力学中微子振荡和味动力学 吴岳良吴岳良  中国科学院理论物理所中国科学院理论物理所 2005.8内容内容 一、引言一、引言二、中微子之谜二、中微子之谜三、中微子混合矩阵的一个猜想三、中微子混合矩阵的一个猜想和 混合角  13 的预言的预言四、对称性和味动力学四、对称性和味动力学五、结语五、结语 引言引言1930 Pauli：：中微子－中微子－s=1/2、、NWIP、、m < m_e 年仅三十岁的年青理论物理学家为解救在年仅三十岁的年青理论物理学家为解救在 衰变中能衰变中能量不守恒问题以及解释衰变中遇到的自旋和统计问量不守恒问题以及解释衰变中遇到的自旋和统计问题，大胆地提出了中微子这个新粒子的存在题，大胆地提出了中微子这个新粒子的存在 1933 Fermi: H_3  He_3 + e +  \bar1957 Lee & Yang, 宇称不守恒宇称不守恒 (诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖 ) CS Wu：：宇称破坏实验宇称破坏实验1957 Landau, Lee & Yang, Salam 中微子没有质量中微子没有质量 m_  =0、、二分量理论、二分量理论、 最大宇称破坏最大宇称破坏1958 Feynman-Gell-Mann, Marshak-Sudarshan V-A 理论理论1967 GWS 标准模型：标准模型： 中微子无质量中微子无质量 (诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖 )1957 Pontecorvo 中微子质量、中微子混合、中微子振荡中微子质量、中微子混合、中微子振荡  _e  anti- _e1957 R.Davis: 反应堆实验反应堆实验 anti-   + Cl_37  e + Ar_371962 莱特曼（莱特曼（Lederman），），施瓦茨（施瓦茨（Schwartz）） 和斯坦贝格（和斯坦贝格（Steinberge) (获得了诺贝尔物理奖获得了诺贝尔物理奖) ) Brookhaven  _ 1962 MNS – Maki-Nakagawa-Sakata 混合角混合角  1967 Pontecorvo  _e   _  太阳中微子太阳中微子 失宗失宗 ½l1967 Davis 开始太阳中微子开始太阳中微子 实验实验l1969 Gribov & Pontecorvo 提出提出 Majorana-type 中微子混合中微子混合l1976 Bilenky & Pontecorvol Dirac-type 中微子混合中微子混合l1979 Wolfenstein 中微子振荡的物质效应中微子振荡的物质效应l1979 See-Saw 机制机制 ＋＋ 大统一理论大统一理论l 中微子物理变成热门课题中微子物理变成热门课题l1994：： ‘1，，3，，5 ’ －－ Massive，， ‘ 2，，4，，6 ’ －－Massless，， 7 －－ No think 1998.6 Super-Kamiokande 实验组，实验组， 中微子振荡中微子振荡 中微子有质量中微子有质量中微子之谜中微子之谜 许多基本问题到目前为止仍然不清楚许多基本问题到目前为止仍然不清楚  中微子是中微子是DiracDirac粒子还是粒子还是MajoranaMajorana粒子？粒子？   中微子质量的绝对值有多大？中微子质量的绝对值有多大？  中微子质量是不是几乎简并的？中微子质量是不是几乎简并的？  与中微子有关的与中微子有关的CPCP破坏如何？破坏如何？  中微子的种类，中微子的种类，SterileSterile中微子？中微子？  中微子轻子数不守恒与物质中微子轻子数不守恒与物质- -反物质不对反物质不对 称的联系怎样？称的联系怎样？  中微子对宇宙大尺度的演化以及天体物中微子对宇宙大尺度的演化以及天体物 理中的奇特现象理中的奇特现象( (超新星暴发等超新星暴发等) )起着怎样起着怎样 的作用？的作用？ 实验结果实验结果Solar+Solar+KamLandKamLand m212 = （（8.1   1.0）） x 10-5 eV2sin2  12 = 0.3   0.08 AtmosphericAtmospheric m322 = （（2.2   1.0）） x 10-3 eV2sin2  23 = 0.5   0.18 Atmospheric+Atmospheric+ChoozChoozsin2  13   0.047 理论问题理论问题 为什么中微子质量比带电轻子和夸克小得多为什么中微子质量比带电轻子和夸克小得多？？ ( (约为电子质量的百万分之一，为最重的顶夸约为电子质量的百万分之一，为最重的顶夸 克质量的十万亿分之一克质量的十万亿分之一) )  为什么中微子混合角比夸克混合角大得多为什么中微子混合角比夸克混合角大得多  2-3 2-3混合角混合角 23是否严格地最大？是否严格地最大？   13混合角数值的大小，混合角数值的大小，Ue3   0 ？？ 中微子质量的等级问题中微子质量的等级问题  m312 > 0 ？？oror  m312 < 0 ？？理论解释理论解释 中微子独具的特性－中微子独具的特性－电荷中性电荷中性 中微子是中微子是Majorana粒子粒子 See-Saw 机制机制 为什么中微子质量比带电轻子和夸克小得多为什么中微子质量比带电轻子和夸克小得多 为什么中微子混合角比夸克混合角大得多为什么中微子混合角比夸克混合角大得多 mq = mD ，， ml = mD m  = mD M-1 mD中微子混合中微子混合lUCKM = Vd  VulUMNS = Ve  U = Ve  V VNVu = Vd = Vmax UCKM = 1V = Ve = Vmax UMNS = VN =Vmax Vu = Vu’ Vmax Vd = Vd’ Vmax V = V’ Vmax Ve = Ve’ Vmax UCKM = Vu’ Vd’ UMNS = V’ Ve’ Vmax中微子混合矩阵的一个简单猜想中微子混合矩阵的一个简单猜想 假设： V’ Ve’   Vu’ Vd’ = UCKM 得到： UMNS   UCKM Vmax中微子混合矩阵元和中微子混合矩阵元和  13  13 ≈ 0.1～～0.2 对称性和味动力学对称性和味动力学l中微子有质量暗示了与味物理有关的新物理的中微子有质量暗示了与味物理有关的新物理的存在存在  粒子物理学家一直在试图扩展粒子物理标准模粒子物理学家一直在试图扩展粒子物理标准模型，建立更基本的理论来解释已探测到的中微型，建立更基本的理论来解释已探测到的中微子振荡以及有关的物理新现象子振荡以及有关的物理新现象  一类较有兴趣的理论是通过对称性和统一角度一类较有兴趣的理论是通过对称性和统一角度考虑而建立的模型，如具有轻子和夸克家族对考虑而建立的模型，如具有轻子和夸克家族对称性的超对称大统一模型称性的超对称大统一模型  味对称性规范理论作为量子味动力学（味对称性规范理论作为量子味动力学（QFDQFD））可看作是标准模型中量子电动力学（可看作是标准模型中量子电动力学（QEDQED））和和量子色动力学（量子色动力学（QCDQCD））的一个直接扩展的一个直接扩展 味对称性规范群味对称性规范群夸克和轻子三个家族对称性夸克和轻子三个家族对称性Massless: U(3)_L x U(3)_R Degenerate Massive: U(3)General Massive: U(1) x U(1) x U(1)Small Quark Mixing:   U（（1））Majorana Fermion: Massless: O(3)_L x O(3)_RDegenerate Massive SO(3) x U(1)_A General Massive: U(1)_A SO(3) 味规范作用模型味规范作用模型 SO(3)SO(3)对称性自发破缺后可自然地得到了第对称性自发破缺后可自然地得到了第二和第三代中微子之间的最大混合，很好二和第三代中微子之间的最大混合，很好地解释大气中微子失踪之谜地解释大气中微子失踪之谜 l结合双结合双ββ衰变和天体宇宙学的限制衰变和天体宇宙学的限制, ,可得到可得到解释太阳中微子失踪之谜的大角度解释太阳中微子失踪之谜的大角度MSWMSW解解 l几乎简并的三个中微子质量作为热暗物质几乎简并的三个中微子质量作为热暗物质l此类模型还可自然导致味改变的轻子过程此类模型还可自然导致味改变的轻子过程, , 当味规范粒子的质量在当味规范粒子的质量在100100TeVTeV附近时，味附近时，味改变的轻子过程可接近现有实验精度范围改变的轻子过程可接近现有实验精度范围 结束语结束语 由于中微子的特殊性质以及在对微观粒子和宏观宇宙的探索中可能起的重要作用，对中微子物理的研究非常重要l13 混合角大小的测量不仅对中微子本身特性的理解有重要意义l同时将帮助和引导理论物理学家建立新的更基本的统一各种相互作用的基本理论－统一理论有着非常重要的作用 谢谢谢谢 ！！ ThanksThanks ！！。