反物质和暗能量

 上个世纪,人类在探索宇宙奥秘和物质基本结构及其相互作用的道路上取得了辉煌的成就,建立了描述微观世界的粒子物理标准模型和描述宇观世界的大爆炸宇宙学标准模型。粒子宇宙学将微观世界和宇观世界、粒子物理学和天文学结合起来,研究早期宇宙这一极端条件下的物理规律,探讨基本粒子的相互作用的统一。近代宇宙学研究表明,在宇宙演化过程中经历了暴涨(Inflation)阶段。基于粒子物理的标量场理论,暴涨宇宙学不仅为经典大爆炸宇宙模型中的初始条件和疑难给予了答案,而且提供了一个描述宇宙大尺度结构成因的合理理论,并为近年观测所支持。     

一些轻核素的起源

 宇宙中化学元素的起源问题,是核物理、粒子物理以及天体物理方面的科学家们所探索、研究的一个问题。本世纪40年代中后期,伽莫夫等人曾提出在冷却的初始宇宙中通过中子俘获链产生所有元素的可能性;自然界中缺少质量数等于5和8的稳定核素,构成了这一方案的致命弱点,1959年,霍伊尔等人提出化学元素是在恒星演化过程中通过核反应产生的想法,这一想法在考虑从碳到铀的重核时被证明是正确的,但是在考虑轻核时却遇到了困难。     

重子物质与反重子暗物质统一的起源

美国和加拿大的物理学家提出一种新粒子可以解决现代物理的两个重要疑难问题:暗物质是什么以及为什么宇宙中的物质远比反物质多?预计这种有待发现的粒子主要衰变成正物质,而其反粒子主要衰变成隐藏的反物质.研究人员声称,这种粒子在早期宇宙中的存在可以说明为何宇宙中物质比反物质多,以及暗物质实际上是隐藏的反物质.     

我国物质结构研究的大型实验平台

古往今来,人们一直在思考和探索这样一个问题:我们赖以生存的物质世界,大到天体宇宙,小至微尘粒子,空间是怎么构成的?这,仍然是21世纪科学的前沿课题。孔子曰:"工欲善其事,必先利其器",说的是工具的重要性。近年来,国家投资建设一批重大科学设施,用于开展从粒子层次、原子核层次、原子-分子层次、地球层次、星系层次乃宇宙层次的物质结构前沿研究,包括北京正负电子对撞     

探索上帝粒子与质量起源

欧洲大型强子对撞机(LHC)上发现的125 GeV新希格斯粒子可能成为标准模型预期的"上帝粒子"。这一革命性发现开启了探索宇宙中一切基本粒子质量起源的新时代,成为21世纪粒子物理学的转折点。文章着重介绍:(1)探寻上帝粒子的重大科学意义;(2)探索质量起源的历史,以及为什么牛顿力学和爱因斯坦相对论均未解决质量起源问题;(3)神秘的真空与希格斯机制;(4)上帝粒子是如何提出的和怎样在LHC上发现的;(5)展望21世纪质量起源的探索与新物理定律的革命。     

主丛上右移不变的度规和变分原理——兼论丛空间作为时空和内部空间的统一

我们讨论了在规范理论的主丛表述中对主丛空间赋予度规的问题,以及如何把粒子和物质场的变分原理写为主丛上不变的形式。证明了:主丛上右移不变的度规中必包含变换性质全同于规范势的量;这样就提供了规范场的一种新表述。此外,我们把粒子运动的主丛上变分原理表述为:粒子沿主丛上水平短程线运动;由此导出了非Abel规范场中粒子的Wong运动方程。又阐述了把主丛空间作为时空和内部空间相统一的物理空间的观点;并指出了这一观点对于理解规范变换和规范不变性的实质,以及建立引力场和规范场的统一理论都有重大的好处。     

封面照片说明

众所周知，科学家们首选的粒子物理标准模型为：所有物质是由6种夸克——上、下、奇异、粲、顶和底夸克——及比夸克轻得多的粒子，如电子和中微子等构成的。这些粒子的存在已被令人信服的证据所证实。但该模型还需要宇宙中存在有希格斯玻色子（Higgs Boson），希格斯粒子表现为引力，它在某些粒子周围很密集，而在另一些粒子附近则很少。正是这种聚集的密度赋予粒子以质量，因此，夸克很重，电子很轻，而光子则根本没有重量。     

大统一理论:回顾与展望

本文系统地讨论了大统一理论的来龙去脉。回顾了大统一理论的发展历史,讨论了其发展现状及存在问题,指出了进一步发展的方向。本文重点介绍了SU(5)和SO(10)两个模型,讨论了Higgs场、规范等级、渐近自由、重正化等问题。文章进而讨论了一些有趣问题,比如提供了对宇宙重子起源的解释、计算了质子衰变寿命、论述了B-L是否守恒以及讨论了中子和中微子可能有的振荡现象等。     

大统一理论:回顾与展望

本文系统地讨论了大统一理论的来龙去脉。回顾了大统一理论的发展历史,讨论了其发展现状及存在问题,指出了进一步发展的方向。本文重点介绍了SU(5)和SO(10)两个模型,讨论了Higgs场、规范等级、渐近自由、重正化等问题。文章进而讨论了一些有趣问题,比如提供了对宇宙重子起源的解释、计算了质子衰变寿命、论述了B-L是否守恒以及讨论了中子和中微子可能有的振荡现象等。     

方兴未艾的粒子天体物理学

 众所周知,粒子物理学的研究对象是粒子,其尺度范围小于１０－１３ｃｍ,质量小于１０－２３ｇ,是所谓的微观物理学。天体物理的研究对象是宇宙间的星体、星系乃至整个宇宙,其尺度范围大于１０１９ｃｍ,质量大于１０３９ｇ,是所谓的宇宙物理学,然而,这两门研究对象完全不同的学科从８０年代初开始却奇迹般地熔为一体,诞生了一门新学科：粒子天体物理学。 粒子天体物理学研究范围极广,例如：暗物质的本质;对来自太阳和超新星的中微子的观测;中子星附近的强大的加速机制的证据,以及关于对我们今天看到的数十亿光年的宇宙大尺度结构的形成起着重要作用的宇宙创生的量子涨落和拓扑结构的假设等问题,都是粒子天体物理学研究的范围。     

超弦理论——统一基本相互作用研究的最新进展

自然界存在的强、弱、电磁和引力相互作用看起来是完全不同的相互作用.如何去统一地描述它们,是科学家们数十年来不断探索的问题.近两年来,在以前研究的基础上,产生了所谓超弦(superstring)理论.初步结果表明,它可以避免以前理论中所存在的矛盾并具有最小的任意性.物理学家们相信,超弦理论有可能最终导致四种相互作用的统一. 1915年,爱因斯坦提出了新的引力理论——广义相对论.它将时间和空间统一为四维时空,而四维时空的几何性质决定了物体所受的引力作用.广义相对论第一次把物理的作用与时空的几何结构联系起来.这一观念对物理学后来的发…     

解释微调的第三种方法

希格斯粒子的质量与地球轨道的椭圆度都比它们的理论估计值小几个数量级.这似乎是两个更大的量经过微调而抵消所造成的.粒子物理有两个最有趣的微调难题:希格斯玻色子的质量和宇宙常数.长期以来,人们一直认为粒子物理的微调可能与新的对称性有关,如难以解释的超对称性,或者与统计参数有关——我们微调的宇宙只是许多可能的多重宇宙之一.     

利用TOF的Q值进行粒子鉴别的研究

飞行时间计数器(TOF)是北京谱仪(BESⅡ)中用于粒子鉴别的重要子探测器. 当带电粒子击中TOF时，闪烁计数器同时测量粒子的飞行时间T和脉冲幅度Q. 本文利用BESⅡ采集的双m事例，对脉冲幅度Q进行了研究. 利用J/ψ强子事例样本，给出了脉冲幅度最可几值Qmp随粒子bg值的变化关系. 这表明可以利用TOF测量的脉冲幅度Q值实现对粒子的鉴别. 最后给出用脉冲幅度Q进行粒子鉴别的效率和误判率.     

大统一理论和质子衰变

一、引 言 质子同电子一样,是稳定的基本粒子.它是构成稳定的动态平衡宇苗的根本因素之一.人们通过重子衰变及散射等各种实验,长期以来确信重子数守恒定律.宇苗中的重子数目不生不灭,这是使人们相信宇宙及其物质稳定性的一个主要依据.质子的稳定性又是保证重子数守恒定律的基础. 最近几年来粒子物理的进展,特别是规范理论和量子色动力学作为基础发展起来的大统一理论证明,重子数守恒定律并不严格成立,它具有轻微的破缺.按大统一理论,质子会衰变成一个介子和一个轻子,其寿命很长,约为 1030-1034年.就是说,在一年期间大约一吨到一万吨物质所含…     

粒子是永恒的吗——μ子寿命测量

<正>朝菌不知晦朔，蟪蛄不知春秋，花草树木、虫鱼鸟兽，甚至地球、太阳、恒星以至宇宙都要经历诞生和死亡，生老病死似乎是我们这个世界的一条基本规则。那么，组成物质世界的微观粒子，也有寿命的概念吗？随着对微观世界认识的加深，人们发现，粒子不仅有寿命，而且不同粒子之间的寿命相差还极大，有些只有不到万亿分之一秒，有些却比宇宙的寿命还要长。微观粒子的寿命与物理学基础理论密切相关，是粒子物理学家十分关心的物理量。测量粒子的寿命并不是一件遥不可及的事情，     

W粒子、Z粒子和诺贝尔物理奖

近两年来,在电弱统一理论有关问题的研究中所取得的最大进展是传递弱相互作用的w粒子和Z粒子的发现.1983年1月和6月,欧洲核子研究中。先后宣布发现了W粒子和Z粒子,这是对格拉肖-温伯格-萨拉姆电弱统一理论的直接验证.这些发现是三十年来粒子物理探索中所取得的最重大进展之一.得知发现W粒子和Z粒子之后,国际上粒子物理学家们纷纷议论:在这些重大发现中有重要贡献的人将因此获得诺贝尔奖金. 1984年 10月瑞典皇家科学院宣布,意大利的鲁比亚(Carlo　Rubbia)和荷兰的范德梅尔(Simon　van　der　Meer)由于对发现W粒子和 Z粒子的决定性贡献共…     

宇宙极早期的剧涨

 在为数众多的宇宙演化理论中,目前为大多数科学家所接受的就是热宇宙标准模型,即我们通常所说的大爆炸学说.大爆炸学说是建立在爱因斯坦的广义相对论和近代物理理论基础上的,它得到了与观察事实相符合的一系列结论,譬如:它可解释目前的宇宙处在膨胀之中和宇宙中氦的丰度等,并预言了宇宙中存在3K微波背景辐射(已于1965年由彭齐斯和威尔逊证实,他们俩为此荣获了1978年度的诺贝尔物理学奖金).但是,就像通常刚建立的物理理论一样,随着研究的进一步深入,科学家们发现了它的几个致命缺陷,这些缺陷可归纳为以下几点:一、视界问题.这是在解释可观察宇宙的大尺度均匀性时所遇到的问题.在微波背景辐射的研究中已证实宇宙有一个非常重要的特征量--宇宙等效温度,简称宇宙温度.根据微波背景辐射中已测出的辐射能量密度及其频率,再利用普朗克黑体辐射公式,就可知道当今的宇宙温度为2.7K;这说明了宇宙在大尺度范围内是处在热平衡之中的(否则就没有宇宙温度可言).但大爆炸理论诉告我们:在混沌初开时,宇宙是一个灼热的奇点.但随着爆炸过后,需要多长时间才能达到热平衡状态呢?     

强相互作用系统的对称性及其破缺

本文简要介绍对称性及其破缺的概念和基本的数学上所说的幺正对称性等的微观粒子实现，从而为利用抽象的数学描述物理问题奠定基础。本文还简要介绍早期宇宙强相互作用物质演化过程的对称性及其破缺，尤其是可见物质质量的产生(比如DCSB)以及强相互作用等基本相互作用的规范对称性和破缺，为有意向探讨早期宇宙强相互作用物质演化的青年学者和研究生提供必要的知识储备，并打开一扇窗口。同时，还简要讨论原子核的对称性及其破缺，尤其是作为强相互作用多体系统的束缚态研究中的基本理论方法、(多粒子)壳模型及相互作用玻色子近似模型(IBM)、集体运动的描述及集体运动模式演化(形状相变)的研究方法及进展简况，提供一些在基本理论方法与前沿研究课题之间建立桥梁的实例。     

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…     

暴涨宇宙—大爆炸后的10~(-35)秒

暴涨宇宙论提出了宇宙在大爆炸后~(-35)秒时在不稳定的假真空态中作指数膨胀,在指数膨胀(暴涨)结束时,假真空的能量转化为热物质。随后宇宙按通常热宇宙理论所描述的方式进行演化。 暴涨宇宙论广泛而又自然地运用了已被公认的粒子物理理论,并使原来在热宇宙论中长期悬而未决的问题有可能获得了简洁的解决。