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1、近代物理系的高能物理研究现状摘 要:文章简要介绍了中国科学技术大学近代物理系的高能物理唯象理论和实验研究的发展现状,并总结了最近几年中取得的进展情况.关键词:高能物理，TeV能量对撞机，标准模型精确检验，粒子探测技术，标准模型外的新物理High energy physics in the Department of Modern Physics, University of Science and Technology of ChinaMA Wen|GanWANG Xiao|Lian(Department of Modern Physics , University of Science an
2、d Technology of China, Hefei 230026, China)AbstractAn overview is given of the development of high energy physics in the Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China. We summarize the progress over recent years in both phenomenology theory and experimental research.Key
3、wordshigh energy physics, TeV energy colliders, precise test of the Standard Model, particle detection technology, new physics beyond the Standard Model1 引言高能物理研究当前仍然是基础物理科学的最前沿，被认为是最重要的学科之一.它深刻地影响着人类对物质世界认识的基本观念.在基础理论研究方面，高能物理在不懈地探讨微观物质结构及其相互作用、质量起源、时空本性等基本理论问题，这些研究又和宏观宇宙学之间存在很强的互相推动作用.高能粒子对撞机是研究物质
4、最基本的结构和相互作用规律的重要、有效的工具.对高能物理的研究和其研究手段的每次重大突破都会带来物理学新领域、新方向的发展,甚至新的学科分支的产生.它对于加深人类对物质世界更深层次基本规律的认识有着重要意义.即将投入运行的TeV能量大型强子对撞机（LHC）和计划建设的国际直线对撞机（ILC）便是验证高能物理理论的极好的大型设备.随着新一代的超高能量的对撞机实验数据的获取，高能物理的研究将面临着又一次新的重大突破.理论上预言的黑格斯粒子和可能的新物理信号将会被发现.这些将会是本世纪初物理学的重大进展.粒子物理的发展涉及了多种学科和前沿技术.粒子物理实验科学实际上与加速器技术、粒子探测技术等近代物
5、理技术密切相关.实践证明，粒子物理实验技术的创新对国民经济领域中诸多技术问题的解决具有重大作用. 下面我们对中国科学技术大学（以下简称中国科大）近代物理系的高能物理研究发展现状进行两方面的介绍：一是高能物理唯象理论研究方面；二是高能物理实验研究方面.2 高能物理唯象理论研究高能物理唯象理论研究始于1985年，当时中国科学技术大学参加了丁肇中先生领导的DESY MARK|J实验和欧洲核子研究中心L3实验的国际合作研究.我们的唯象理论研究就是当时针对大型正负电子对撞机实验中的现象学进行研究而发展起来的.从那时起，其研究课题就一直与国内外的大型高能物理实验现象学紧密结合.其研究工作的特点是：注重研发
6、粒子物理理论研究所需的计算物理新方法和计算程序，建立了自己独特的高能计算物理实用软件环境，目前该实验室拥有先进的量子场论复杂计算的技术和能力,拥有研究室自己的高能物理理论计算和数据分析的PC FARM，并建成了DZERO SAM GRID的D0USTC节点，使我们的网格节点正式成为D0合作组标准MONTE CARLO事例产生主要节点.因而，该实验室在现象学理论研究和物理分析方面具有很强的国际竞争力.近年来，粒子物理唯象理论研究室的理论研究课题密切结合他们参加的费米实验室D0组的实验，大型强子对撞机LHC上Atlas组的实验和未来的国际直线对撞机ILC上实验所涉及的TeV物理现象学，集中研究标准
7、模型理论的精确检验和新物理信号的探索.重点研究内容涉及:Higgs物理、Top物理、超对称理论现象学、超引力模型现象学、额外维模型和最小Higgs模型现象学、超高能量下CP破坏来源研究等.考虑到未来对撞机上寻找新粒子和深入了解电弱破缺机制的物理实验中所处的重要地位，我们从研究如何实现高精度量子修正的数值计算方法问题入手解决对撞机物理现象中的复杂理论计算问题.重点解决的计算技术包括：高效率的多体末态（N3）蒙特卡罗相空间积分技术；费曼图中不稳定粒子的处理问题；在相空间边界上多点积分函数(n5)数值计算的有效方法；红外发散的解析处理；带复数质量的粒子的重整化参数和单圈积分函数的计算方法等.这些问题
8、也一直是粒子物理现象学中的几个研究重点和难点问题.在这些研究中，他们已经在单圈图计算中，在不稳定粒子的计算处理方法上以及在多点(n5)标量、矢量、张量积分函数的解析和数值计算上取得了进展.转贴于 http:/该研究室自2001年以来,在国际国内重要学术期刊上发表SCI收录的涉及唯象理论研究的论文58篇，被引用达300余次.作出了一批为国际同行重视的研究成果.近年来该研究室取得了以下突出的研究成果：1997年，在国际上首先解决了四点积分函数在相空间边缘发散点的数值计算困难1.在国际上首次解决了三体末态过程的单圈阶幅射修正计算中的五点标量和张量积分的计算问题，完成了关于在直线对撞机上对H|t|t
9、Yukawa耦合精确检验的理论研究2.精确研究了强子对撞机上超对称chargino/neutralino伴随产生过程，以及tb-H-产生过程的NLO阶QCD修正效应，为LHC新物理寻找提供了理论依据3.在最小超对称模型下对ppHbc+X味道改变过程的精确计算,首次发现在squark的混合机制下，超对称QCD对Hbc耦合的修正可以使该产生过程的截面大大提高，这使得该过程成为发现带电Higgs粒子和味道改变效应的重要反应道4.T宇称守恒和不守恒情况的最小Higgs模型下tth+X过程中的新物理效应的计算和讨论5,得到了可能在LC对撞机上观测到LH/LHT的效应，或者给出对LH/LHT参数更严格的限
10、制6.完成了四体、五体末态相空间高精度积分程序的发展，实现了不稳定粒子处理技术，六点单圈标量、矢量、张量积分函数的红外分离及正确的数值计算方法和程序，并通过了若干正确性检验.在此软件环境下完成了在带电或中性Higgs寻找过程中，可能测量到的ttbb和e+e-W+W-bb过程的QCD辐射修正计算工作.这为Higgs粒子寻找和top物理有关理论的精确检验提供了理论依据7.唯象理论组在国际上首先提出了在强子对撞机上通过超对称标量中微子双轻子共振态，探测R宇称破坏的实验物理分析方案，并计算了其QCD 辐射修正812.该成果被Tevatron的两个实验合作组CDF和D0先后作为其探测双轻子高质量共振态的
11、主要物理动机和数据分析依据在发表的论文中引用.费米实验室Fermilab Today对这一研究成果进行了报道.该研究室对这一理论与实验结合的研究，不但在唯象理论研究方面，推动了对TeV强子对撞物理过程中QCD NLO效应的精确把握,而且在实验物理方面，促进中国科大D0组在径迹探测器触发方法研究、高亮度环境下高能电子/光子鉴别、量能器刻度等研究中做出了成果.该研究还促进了高能数据网格计算节点建设，该室建成了中国科大D0USTC网格计算机群，并为D0合作组产生106模拟事例,为中国科大高能物理研究提供了1010以上的网格数据分析与处理能力，从而确保最终物理成果的获得.这些工作得到了D0合作组以及费
12、米实验室的高度评价.韩良教授成为D0合作组Authorship Committee 7人委员会成员，负责审查合作组各单位成员作者资格.刘衍文博士成为费米实验室首批International Scientist Fellowship成员.第28次中美高能物理合作联合委员会会议，确定费米实验室继续支持中国科大D0实验物理研究.3 高能物理实验研究高能物理实验研究始于1973年，在杨衍明、陈宏芳教授领导下，为云南高山站宇宙线测量研制多丝正比室.之后先后参加了德国DESY的MARK|J实验，是CERN LEP的L3实验的发起单位之一.与此同时，被接受为LHC大型强子对撞机的CMS合作组和日本KEK的B
13、 介子工厂Belle合作组的成员.与瑞士苏黎世联邦理工学院（ETHZ）合作成立了高能物理联合研究所.1991年正式参加中国科学院高能物理研究所BES合作组，成为国内大学中最早投入国内高能基地研究工作的BES成员，相继参加了BESII的物理分析和BESIII的建造与物理工作.2001年10月又被接收为美国BNL的STAR合作组成员.31 为STAR合作组研制的飞行时间探测器和相对论性重离子碰撞（RHIC）物理研究多气隙电阻板室（MRPC）是上世纪90年代后期欧洲核子研究中心（CERN） 的LHCALICE实验组首先发展起来的新型探测器.受国家自然科学基金委员会委托，该研究室于2000年8月率先在
14、国内开展MRPC研制.先后成功地研制了多种结构的MRPC，其中6气隙的MRPC时间分辨为60ps，对最小电离粒子的探测效率好于95，达到国际先进水平；双层结构10气隙的MRPC，时间分辨好于50ps，探测效率大于99%，达到国际领先水平. 并成功地研制了第一个基于MRPC技术的STAR飞行时间探测器原型TOFr Tray，性能指标达到：平均时间分辨为85ps，探测效率好于90，好于设计指标.并于2002年10月装入STAR探测器，参加了2003年度氘-金核（质心能量为200GeV/核子）和2004年度金-金核（质心能量为200GeV/核子及62.4GeV/核子）碰撞实验，有效提高了STAR探测
15、器的粒子鉴别本领，对/K分辨的动量区域由原来的0.6GeV/c扩展到1.6 GeV/c，对,K/p分辨的动量范围由1.0GeV/c扩展到3 GeV/c.利用MRPC-TOF的数据和时间投影室带电粒子的电离能量损失的数据发展了一种可以鉴别高动量区介子和质子的新技术，把STAR探测器介子和质子的鉴别横动量区间扩展到12GeV/c13.是第一个运用MRPC技术成功运行于大型高能核核碰撞物理实验的大面积飞行时间探测器，使一些原来很难开展但有重要意义的物理课题有可能进行，并获得了一些重要的物理结果.2006年4月，用于RHIC-STAR-TOF探测器的MRPC通过批量生产标准和标准的最后评审.MRPC生产稳定，质量越来越好，性能达到指标要求.RICE大学还专门做了报道.图1，2分别给出了200GeV AuAu对撞中TOF的强子鉴别和电子鉴别能力.转贴于 http:/利用飞行时间探测器得到的主要物理成果有：基于TOFr粒子鉴别的强子谱和Cronin效应的研究14.首次得到在氘-金碰撞与质子-质子碰撞中重味夸克衰变的电子谱.结合低横动量D0粒子谱和高横动量单电子谱，在世界上首次给出了氘-金碰撞中双核子质心能量为200GeV/核子下每核子核子碰撞中粲夸克产生在中快度区的微分截面15.开展带电强子横动量谱的研究
