夸克味PartA1919Discoveryofproton(E-中国科学院高能物理研究所.ppt

1、Super Flavor Factory超级味工厂,邢志忠 (高能所) 2010年全国高能物理会议, 南昌大学,(一) 味历史与超级味工厂(二) 标准模型与新物理 (三) 超级味工厂课题举例(四) 总结与展望及其他,“味”的来历,Flavor 一词最早由Harald Fritzsch与Murray Gell-Mann于1971年在 Pasadena的Baskin-Robbins 冰激凌店引入物理学.,夸克味轻子味重味轻味,Color & Flavor,Part A,1932: Discovery of neutron (J. Chadwick) up and down,1960: The qu

2、ark model (M. Gell-Mann, G. Zweig),1964: Discovery of CP violation (J.W. Cronin and V.L. Fitch),1970: The GIM mechanism (S. Glashow et al),1973: The KM mechanism (M. Kobayshi and T. Maskawa),1974: Discovery of charm (C.C. Ting, B. Richter),1977: Discovery of bottom (L. Lederman et al),1995: Discover

3、y of top (F. Abe et al),1947: Discovery of Kaon (G. Rochester and C. Butler) strange,1963: The Cabibbo quark mixing (N. Cabibbo),夸克味,Part A,1919: Discovery of proton (E. Rutherford) up and down,1897: Discovery of electron (J.J. Thomson),1930: Postulation of neutrino (W. Pauli),1936: Discovery of muo

4、n (J.C. Street et al/C.D. Anderson et al),1956: Discovery of electron anti-neutrino (C.L. Cowan et al),1962: Discovery of muon neutrino (G. Danby et al),1962: Postulation of neutrino flavor mixing (S. Sakata et al),1975: Discovery of tau (M.L. Perl et al),2000: Discovery of tau neutrino (K. Kodama e

5、t al),1928: Prediction of positron (P.A.M. Dirac),1932: Discovery of positron (C.D. Anderson),轻子味,Part A,1956: Postulation of neutrino oscillations (B. Pontecorvo),萨尔马-邢定理,Part A,味物理,历史暗示: 所有的玻色子都发现于欧洲, 绝大部分费米子都发现于美国. 所以LHC极有可能看到Higgs粒子.,味物理的核心概念:质量味混合CP破坏,味工厂: 海量产生某一类或几类轻子或夸克的加速器, 研究味的各种性质与基本相互作用.,

6、做精确测量发现新物理,Part A,超级味工厂,极高的亮度:,超级味工厂: 最先进的正负电子对撞机.,不对称对撞: 产生除top之外的所有味.,对撞机设计: 最新理念, 束流能量可调.,束流的极化: 增大可研究的物理内容.,Part A,(Browder et al 09),超级味工厂物理(1),Bottom物理: Bu, Bd, Bs 以及 bottomonium 物理.,精确测量各种Bu和Bd衰变过程, 稀有过程, CP破坏效应, 寻找可能的新物理现象.,(4S),Part A,(5S),(3S),Bs衰变过程, 稀有过程, CP破坏效应, 寻找可能的新物理现象.,检验轻子味守恒及其普适性

7、.,在共振峰处通过测量下列衰变道限制暗物质或单态H 粒子? invisible.,超级味工厂物理(2),charm与tau物理: 很丰富的物理内容, 堪比BEPC-II的升级版.,Part A,charmonium 物理,超级味工厂物理(3),新物理: LHC的直接新物理信息, 或者低能标间接的新物理探索.,Part A,(Bevan 2006),工业化生产线,时代定位,超级味工厂,大型强子对撞机,互补与特色,进攻新物理阵地: 能量前沿(relativistic) + 亮度前沿(quantum).,Part A,How precise is precise enough?,举例,历史上char

8、m夸克与top夸克的直接发现与先前的精确测量互补.,Part A,GIM机制(1970): 引入charm.,Gaillard & Lee通过计算K0与K0bar混合的质量差, 预言了charm夸克的质量 (1974初).十月革命 (1974秋): 丁肇中与Richter直接发现了charm.,1986年ARGUS发现了很大的B0与B0bar混合效应, 由此可以推算出top夸克质量应在170 GeV附近 (杜东生与赵志勇 1987). LEP精确测量得到类似结果. 最后费米实验室于1995年直接发现了top.,标准模型,从上世纪五十年代中期到七十年代初期不到二十年的时间内,弱电标准模型和量子色

9、动力学被逐步建立和完善起来.其中的核心概念包括了宇称不守恒,规范对称性,对称性自发破缺,可重整性,色禁闭与渐近自由,新轻子,新夸克,CP 对称性破坏,等等.这一历史进程造就了10个诺贝尔物理学奖.好几位诺贝尔奖得主是在攻读博士学位期间或者做博士后期间完成了他们里程碑式的工作.此等盛世已如大江东去.,尽管标准模型半个世纪以来经受住了无数实验检验, 但是它的若干方面仍然未被证实,若干方面相当不尽人意.极为有趣的是,Weinberg 在1967年刚完成弱电标准模型的结构性建设,Davis 在1968年就发现了太阳中微子反常.,Part B,结构与问题,基本成分: 3代共6个夸克, 3代共6个轻子,4

10、种矢量规范粒子,1个标量粒子(Higgs).相互作用: 矢量规范粒子之间及其与费米子之间的相互作用,Higgs与矢量规范粒子的相互作用,Higgs与费米子的Yukawa相互作用.,我们尚未看到Higgs粒子,尚没有验证Yukawa相互作用,尚无法理解味结构及其众多参数,尚不清楚中微子的质量起源,等等.很不满意之处:理论本身的自然性(Hierarchy Problem),无法提供暗物质的候选者,无法解释可观测宇宙的物质与反物质不对称现象,强相互作用的非微扰计算,强CP问题,等等.,Part B,新物理(1),来自中微子振荡的提示:轻子味破坏(LFV)-带电轻子的LFV.,解释中微子质量的各种se

11、esaw机制在TeV能标可以导致一系列可观测的LFV与LNV过程(Abada et al 2007).在超级味工厂,轻子海量产生,其LFV或LNV衰变将被仔细研究.,Part B,最简单扩充标准模型,加入中微子质量及混合,则LFV过程被严重压低.因此带电轻子的LFV过程可以对新物理非常敏感.,GIM机制,新物理(2),夸克部分: TeV能标处的新物理既不可能完全是flavor-blind 因为标准模型的Yukawa相互作用已然破坏味对称,也不可能具有一般的味结构否则将导致实验无法接受的FCNC过程.最小味破坏(MFV)-新理论的味对称也只被标准模型的Yukawa耦合所破坏(Chivukula,

12、Georgi 1987, Hall,Randall 1990).受限的最小味破坏(constrained MFV): 假设标准模型的场是新理论仅有的轻自由度,理论只含有一个轻Higgs粒子,标准模型的Yukawa耦合是夸克味破坏的唯一源(Buras et al 2001).,Part B,没有引入新的CP破坏效应.非常多的研究文章被发表.,新物理(3),超对称:四十年来理论家的梦想,Part B,超对称软破缺: 自由参数激增,可导致若干可观测的FCNC过程.,最小超对称模型(MSSM):124个自由参数,其中味部分包含69个实参数和41个相位(尚未计入中微子质量与混合参数)!,超级味工厂 PK

13、 超对称味问题?,新物理(4),额外维空间: 也许一切皆有可能? 味物理模型尚未发展完善.,Part B,SFF的作为: 例(1),通过更精确地测量各种强子物理过程,并借助QCD的技术,更好地确定5种夸克的质量值. 这对最终理解夸克味结构至关重要.,Part C,SFF的作为: 例(2),通过更精确地测量各种夸克衰变过程,并借助QCD的技术,更好地确定CKM矩阵的参数值,并检验CKM幺正三角形的自恰性. 这对最终理解夸克味结构也至关重要.,Part C,不局限于这一个三角形. 检验夸克质量模型对夸克混合的预言.,SFF的作为: 例(3),Part C,(5S)与Bs物理: 超级味工厂精度.,S

14、FF的作为: 例(4),Charm衰变过程中的CP破坏效应(标准:0.1%,非标准:0.1%?).,Part C,末态涉及K0-K0bar的过程, CP破坏程度可达到0.3% (校准). 在(3770) 与(4140) 共振峰,SFF的作为: 例(5),轻子数破坏: (最小超对称模型+3个右手中微子).,Part C,SFF的作为: 小结(1),超级味工厂中所期待的对新物理敏感的可观测量: 大约45个!,Part C,SFF的作为: 小结(2),超级味工厂中所期待的对新物理敏感的可观测量: 大约45个!,Part C,超级味工厂的精度一览,正负电子对撞机,c. m. Energy (GeV),Part D,味物理的可能未来,Part D,Cosmic Flavor Physics?,综述性文献,2007,2009,2010,以及若干会议报告文件,Part D,