走向统一的自然力强力、弱力和电磁力的大统一(Ⅵ)

 标准模型,准确地讲,应是粒子物理标准模型。粒子物理是研究亚原子粒子的性质、结构及其在很高能量下相互转化的物理学分支学科。夸克模型的提出使人们认识到物质结构的基本组分是夸克和轻子,作用在它们之间的强力和弱电力可以分别用SU(3)规范场和SU(2)×U(1)规范场--相应的动力学分别是量子色动力学和弱电统一理论(或称量子味动力学)--来描述,分别通过胶子、中间玻色子(W^±和Z⁰)和光子来传递,于是SU(3)和SU(2)×U(1)规范场理论便构成了粒子物理标准模型。     

北京谱仪实验物理成果

当前描述物质微观基本结构最成功的理论是粒子物理的标准模型,包括描述强作用力的量子色动力学,描述弱相互作用和电磁作用力的电弱理论。在量子色动力学方面,人们对夸克禁闭问题和低能非微扰性质还不能完全理解;在电弱理论方面,需要实验上提供更加精确的参数约束和检验。北京正负电子对撞机和北京谱仪实验是我国最早的大科学装置,也是目前国际上唯一运行在陶粲能量区域的高亮度实验装置,致力于在强子物理、量子色动力学的非微扰性质、电弱理论检验和寻找超标准模型的新物理等方面开展研究。文章将介绍北京谱仪多年来在实验上取得的科学成果,包括陶轻子质量精确测量、R值测量、奇特强子态研究和粲强子弱衰变测量等。     

《粒子物理导论》简介

杜东生和杨茂志合著的新书《粒子物理导论》已经于2015年1月出版。该书着重介绍粒子物理的基础知识,同时也尽可能的介绍了粒子物理前沿的研究进展和新的实验结果。书中从对称性出发相继介绍了强子的夸克模型、电磁作用和弱相互作用、弱电统一理论、量子色动力学、中微子振荡、超出标准模型的各种新模型,如大统一理论,超对称和超引力,以及超弦和膜理论等内容。书中对中性介子K、B、D介子的混合及弱衰变     

美国的基本粒子物理研究

在过去的二十年内,基本粒子领域的研究取得了 巨大的成功.美国的一个基本粒子物理的专门小组把 近二十年来的惊人进展概括为以下几个方面:形成了 一个宇宙的标准模型——宇宙是由夸克和轻子组成 的,而它们又通过光子、胶子、w和z粒子联系在一起; 弱作用力和电磁作用力由规范场理论把它们统一起 来;借助量子色动力学认识了重子和介子的结构;相 互作用的夸克和胶子理论;所有的自然力完美地统一 起来的可能性;基本粒子物理和宇宙论的收敛性.这 里每一项成功都确助于阐明另外各项. 成就是巨大的,然而遗留下来的问题也是相当尖 锐的. 质量的起因…     

基态八重态重子质量的手征描述

质量作为物质最基本的属性,其起源一直是物理学研究的根本问题之一。根据物质层次的 划分,理解可见宇宙物质（能量）组成的关键在于理解核子（基态重子）的质量。现代粒子物理与 原子核物理研究指出,基态重子质量的绝大部分来自强相互作用。然而,由于色禁闭现象,强相互 作用的基本理论–量子色动力学–在低能区无法解析求解,导致很长一段时间里对基态重子质量的 研究不得不借助于各种唯象模型。二十一世纪以来,随着计算机运算能力的发展和算法的持续改 进,格点量子色动力学模拟取得了令人瞩目的成绩,使得人类从第一原理出发计算基态重子的质 量,进而定量地理解质量的起源成为可能。另一方面,受到计算资源的限制,目前绝大部分格点 量子色动力学模拟必须采用比物理值大的轻夸克质量、不足够大的盒子体积和不足够小的格点间 距。因而,为了从格点量子色动力学模拟中提取感兴趣的观测量的物理值,必须对格点数据进行 如下三种延拓：手征延拓将轻夸克质量延拓到物理值（即mq ! mphys: q ）,有限体积修正将有限的四 维空间延拓到无穷大（即V = L4 ! 1）,连续性延拓将有限格点间距延拓到零（即a ! 0）。手征 微扰理论为开展这些延拓提供了必要的理论基础。作为量子色动力学的低能有效理论,手征微扰 理论原则上可以模型无关地描述强相互作用物理。但随着手征阶数的升高,仅仅依靠实验数据无 法完全确定理论中未知的低能常数。高统计量的格点量子色动力学模拟数据的出现为解决这一难 题提供了新的思路,从而使得基于高阶手征微扰理论的研究成为可能。本文将简要介绍当前基于 协变重子手征微扰理论对基态八重态重子质量及格点量子色动力学模拟数据的研究。     

中国物理学各分支学科近十年的进展

 近年来,我国粒子物理学工作者在确认、检验和发展标准模型理论方面进行了系统而深入的研究.例如在层子模型基础上深入研究强子内部结构和相对论内部波函数;结合北京正负电子对撞机物理研究胶球和夸克之间的相互作用,量子色动力学应用到高能和低能区的唯象和场论方面的研究,弱电统一模型理论中参数性质和本质的研究,τ轻子性质和普适性的研究;弱电统一模型的精确检验和高级修正效应的计算,Higgs粒子唯象和弱电对称性破缺机制的研究等方面都做出了一批有相当水平的工作.     

电荷-宇称（CP）对称性破坏和夸克一轻子味物理——写在CP破坏发现和夸克理论提出40周年之际

简要地介绍了与电荷-宇称(CP)对称性破坏和夸克一轻子味物理有关的一些重要进展．从1964年发现CP破坏和提出夸克理论至今，这个领域就一直成为粒子物理研究的前沿领域，已研究和发展了整整40年，取得了许多辉煌的成就．在这篇文章中，着重评述了目前仍然热门的几个主要的研究方向：直接CP破坏的理论研究和实验验证，CP破坏机制和新的CP破坏源，中微子物理和新的味物理，夸克味物理和有效量子场理论，标准模型中味物理参数的预言和超对称大统一理论．同时对我国有关研究组在这些前沿方向做出的重要贡献作了重点简述．可以看出，在CP破坏和味物理这个重要前沿领域，仍然存在着许多未解之谜，使得粒子物理在21世纪既面临着巨大的挑战，又有着不断发展的机遇．     

强相互作用理论的渐近自由——2004年诺贝尔物理学奖介绍

瑞典皇家科学院把 2004年度的诺贝尔物理学奖授予了美国的戴维·格罗斯 (DavidJ. Gross),戴维·玻利泽(H. DavidPolitzer),弗兰克·维里茨克(FrankWilczek)三位理论物理学家,以表彰他们揭示出了强相互作用的 '渐近自由 '特性.文章按历史顺序,简要回顾了强相互作用理论———量子色动力学的基本“要素”.介绍了理论上如何得出强相互作用“渐近自由”和“渐近自由”的含义,引述了实验检验理论上的“渐近自由”最典型和最新的情况,展示了强相互作用“渐近自由”的高度正确性.介绍了基于“渐近自由”的微扰量子色动力学.指出“渐近自由”的发现和证实是确立量子色动力学为描述强相互作用的正确理论的依据,同时列举了当前量子色动力学的“色禁闭”等一些前沿问题.“渐近自由”的发现和证实确实深刻地影响了粒子物理,如量子色动力学成了标准模型的重要组成和导致相互作用的大统一理论等.     

电荷-宇称(CP)对称性破坏和夸克-轻子味物理--写在CP破坏发现和夸克理论提出40周年之际

简要地介绍了与电荷-宇称(CP)对称性破坏和夸克-轻子味物理有关的一些重要进展.从1964年发现CP破坏和提出夸克理论至今,这个领域就一直成为粒子物理研究的前沿领域,已研究和发展了整整40年,取得了许多辉煌的成就.在这篇文章中,着重评述了目前仍然热门的几个主要的研究方向:直接CP破坏的理论研究和实验验证,CP破坏机制和新的CP破坏源,中微子物理和新的味物理,夸克味物理和有效量子场理论,标准模型中味物理参数的预言和超对称大统一理论.同时对我国有关研究组在这些前沿方向做出的重要贡献作了重点简述.可以看出,在CP破坏和味物理这个重要前沿领域,仍然存在着许多未解之谜,使得粒子物理在21世纪既面临着巨大的挑战,又有着不断发展的机遇.     

超流3He中的双量子涡旋

我们所感受到的物质世界是由质子、中子、电子和光子组成的 .随着粒子物理研究的不断发展 ,人们认识到 ,除了上述四种宏观物质组元粒子之外 ,还存在上百种短寿命的粒子 .根据标准模型 ,最深层次的物质粒子共有 12种 (每种另有相应的反粒子 ) ,即 6种夸克 (夸克组成了质子、中子、介子等强子 )和 6种轻子 (包括电子、μ子、τ子等 ) .此外 ,还有一些力传递粒子 ,如传递电磁力的光子等 .上述理解涵盖强力、弱力和电磁力三种基本相互作用 ,但第 4种相互作用———引力未被包括在内 .其原因在于 :前三种力可用量子不连续的图像来描述 ,但引力却…     

Supersymmetric QCD and Noncommutative Geometry

We derive supersymmetric quantum chromodynamics from a noncommutative manifold, using the spectral action principle of Chamseddine and Connes. After a review of the Einstein?CYang?CMills system in noncommutative geometry, we establish in full detail that it possesses supersymmetry. This noncommutative model is then extended to give a theory of quarks, squarks, gluons and gluinos by constructing a suitable noncommutative spin manifold (i.e. a spectral triple). The particles are found at their natural place in a spectral triple: the quarks and gluinos as fermions in the Hilbert space, the gluons and squarks as the (bosonic) inner fluctuations of a (generalized) Dirac operator by the algebra of matrix-valued functions on a manifold. The spectral action principle applied to this spectral triple gives the Lagrangian of supersymmetric QCD, including supersymmetry breaking (negative) mass terms for the squarks. We find that these results are in good agreement with the physics literature.     

Stochastic vacuum of quantum chromodynamics as an environment for color particles

The behavior of quarks is described within approaches used in quantum mechanics and related disciplines (quantum optics and quantum theory of information). The stochastic vacuum of quantum chromodynamics is treated as an environment (closed pool) for color particles (quarks). Their interaction results in a loss of information on the quark color state and consequently in the impossibility of observing it (the confinement of quarks). The processes are described using quantities of the quantum theory of information, such as von Neumann entropy, fidelity, and purity.     

From wigner’s supermultiplet theory to quantum chromodynamics

The breadth of Eugene Wigner’s interests and contributions is amazing and humbling. At different times in his life he did seminal work in areas as diverse as pure mathematics and chemical engineering. His seminal research in physics is, of course, the best known. In this talk I first describe Wigner’s supermultiplet theory of 1936 using the approximate symmetry of the nuclear Hamiltonian under a combined spin-isospin symmetry to describe the spectroscopy of stable nuclei up to about the nucleus molybdenum. I then show how Wigner’s ideas of 1936 have had far reaching and unexpected implications: his ideas led to the discovery of the color degree of freedom for quarks and to the symmetric quark model of baryons which is the basis of baryon spectroscopy. I conclude by pointing out that the color degree of freedom, made into a local symmetry using Yang-Mills theory, leads to the gauge theory of color, quantum chromodynamics, which is our present theory of the strong interactions.     

夸克与对称性自发破缺

用普通物理和原子物理的语言论述了对称性破缺机制和理论模型,介绍了2008年度诺贝尔物理学获奖者小林诚(Makoto Kobayashi)、益川敏英(Toshihide Maskawa)关于弱相互作用的理论模型(KM模型)和对称性破缺的起源,它是对电弱统一理论的完美补充;详细分析了在微观粒子世界系列实验中对称性自发破缺和夸克的发现.     

Large hadron collider physics program: Compact muon solenoid experiment

The LHC physics program at CERN addresses some of the fundamental issues in particle physics and CMS experiment would concentrate on them. The CMS detector is designed for the search of Standard Model Higgs boson in the whole possible mass range. Also it will be sensitive to Higgs bosons in the minimal supersymmetric model and well adapted to searches for SUSY particles, new massive vector bosons, CP-violation in B-system, search for subtructure of quarks and leptons, etc. In the LHC heavy ion collisions the energy density would be well above the threshold for the possible formation of quark-gluon plasma.     

Dynamical generation of the spectrum of fermions in non-abelian gauge field theories

The dynamical mechanism of spontaneous breakdown of chiral invariance in non-abelian gauge theories is proposed. The dynamical masses of quarks in quantum chromodynamics are estimated within this framework.     

2004年诺贝尔物理奖介绍:渐近自由

描述粒子相互作用基本理论是标准模型，按照标准模型，强子是由夸克和反夸克通过色相互作用组成，色相互作用有一种特殊的性质：渐近自由，格罗斯、波利策和维尔切克由于确定地发现色相互作用的渐近自由性质获2004年诺贝尔物理奖。     

Stochastic field theory for a dirac particle propagating in gauge field disorder

Recent theoretical and numerical developments show analogies between quantum chromodynamics (QCD) and disordered systems in condensed matter physics. We study the spectral fluctuations of a Dirac particle propagating in a finite four-dimensional box in the presence of gauge fields. We construct a model which combines Efetov's approach to disordered systems with the principles of chiral symmetry and QCD. To this end, the gauge fields are replaced with a stochastic white-noise potential, the gauge field disorder. Effective supersymmetric nonlinear sigma models are obtained. Spontaneous breaking of supersymmetry is found. We rigorously derive the equivalent of the Thouless energy within our generic model implying the universality of this scale in QCD. Connections to other low energy effective theories, in particular, the Nambu-Jona-Lasinio model and chiral perturbation theory, are found.