2021“百人计划”在岗期间工作汇报.pptx

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1、中微子质量中微子质量与与宇宙的物质宇宙的物质-反物质不对称反物质不对称 邢志忠（高能所）邢志忠（高能所）中微子之父中微子之父中微子理论之父中微子理论之父W.Pauli(1930):概念提出概念提出E.Fermi(1933):Beta衰变理论衰变理论E.Majorana(1937):中微子的反粒子即其自身中微子的反粒子即其自身中微子振荡之父中微子振荡之父B.Pontecorvo(1957):电子电子反电子中微子振荡反电子中微子振荡S.Sakata 等人等人(1962):电子电子Muon中微子振荡中微子振荡中微子新贵中微子新贵New Prizeis HopefulR.Davis:太阳中微子太阳中微

2、子失踪探测失踪探测M.Koshiba:超新星超新星1987中微子探测中微子探测轻子谱与诺贝尔奖轻子谱与诺贝尔奖 eJ.J.Thomson 1897J.J.Thomson 1906 获奖获奖C.L.Cowan等等 1956F.J.Reines 1995 获奖获奖 J.C.Street等等C.D.Anderson等等 1936G.Danby等等 1962M.Schwartz,L.M.Lederman,J.Steinberger 1988 获奖获奖 M.L.Perl等等 1975M.L.Perl 1995 获奖获奖K.Kodama等等 2000 (正电子正电子:理论预言理论预言P.A.M.Dirac

3、 1928;实验发现实验发现C.D.Anderson 1932;获奖获奖 1936)花絮花絮:带电轻子的带电轻子的Sarma-邢邢“定理定理”我本人的贡献我本人的贡献:将将2114更正为更正为2014，时间缩短了，时间缩短了100年！年！1995年底印度物理学家年底印度物理学家SarmaSarma率先发现了率先发现了“39-year gap”:实验突破与后果实验突破与后果K2K加速器加速器Muon中微子长基线振荡实验（中微子长基线振荡实验（E1.3 GeV,L250 km）。参数空间与）。参数空间与Super-K的结果吻合。的结果吻合。(02)突破之一突破之一:大气中微子大气中微子(Super

4、-K1998)大气大气Muon中微子失踪，中微子失踪，主要转化成主要转化成Tau中微子。中微子。模型无关的间接证据与模型无关的间接证据与直接信号（见下图）。直接信号（见下图）。天然天然中微子振荡得到中微子振荡得到人人工工中微子振荡的支持。中微子振荡的支持。C.Sagi/ICHEP04C.Sagi/ICHEP04太阳电子中微子失踪，主要转化为太阳电子中微子失踪，主要转化为Muon中微子中微子。与标准太阳模型无关的证据令人信服（见下图）。与标准太阳模型无关的证据令人信服（见下图）。天然天然中微子振荡得到中微子振荡得到人工人工中微子振荡支持中微子振荡支持:KamLAND反反应堆应堆反反电子中微子振荡

5、实验（电子中微子振荡实验（E5 MeV,L180 km）。）。参数空间与参数空间与SNO的结果吻合。的结果吻合。(02)突破之二突破之二:太阳中微子太阳中微子(SNO2001)H.Deng/ICHEP04标准太阳模型标准太阳模型(SSM)得到得到SNO强有力的支持强有力的支持,至关重要至关重要.中性流中性流零零点点你相信中微子振荡现象的存在吗？你相信中微子振荡现象的存在吗？不同的中微子源不同的中微子源不同的中微子种类不同的中微子种类不同的中微子束能量不同的中微子束能量不同的中微子传播距离不同的中微子传播距离不同的与模型无关的证据不同的与模型无关的证据 不需要假设不需要假设Exotic新物理新物

6、理不需要破坏基本对称性不需要破坏基本对称性不需要更改太阳模型不需要更改太阳模型不需要引入新粒子不需要引入新粒子不需要微调参数不需要微调参数中微子振荡中微子振荡只要三代中微子存在静止（非简并）质量只要三代中微子存在静止（非简并）质量中微子振荡中微子振荡唯一有坚实的实验证据的超出标准模型的唯一有坚实的实验证据的超出标准模型的 新物理新物理(但不影响它迄今已被证实的部分但不影响它迄今已被证实的部分)中微子再次成为主流前沿热点之一中微子再次成为主流前沿热点之一在美国斯坦福大学高能物理数据库在美国斯坦福大学高能物理数据库SLAC-SPIRES键入键入“Find Title Neutrinos and D

7、ate*”得到以上结得到以上结果果 中微子理论中微子理论:大师大师Witten如是说如是说普遍问题普遍问题费米子质量起源费米子质量起源 E.WittenOpening Talk at Neutrino 02(hep-ph/0006332)哲学家哲学家M.Jammer强调强调(1997):“the concept of mass entangled with serious uncertainties&perplexing difficulties”近年来中微子唯象学综述文章选摘近年来中微子唯象学综述文章选摘(1)中微子振荡：中微子振荡：S.M.Bilenky,C.Giunti,W.Grimus

8、,Prog.Part.Nucl.Phys.43(1999)1-86 中微子绝对质量：中微子绝对质量：S.M.Bilenky et al,Phys.Rept.379(2003)69148中微子模型构造：中微子模型构造：H.Fritzsch,Z.Z.Xing,Prog.Part.Nucl.Phys.45(2000)1-81 R.N.Mohapatra,ICTP Lectures,hep-ph/0211252(2002)G.Altarelli,F.Feruglio,New J.Phys.6(2004)106S.F.King,Rept.Prog.Phys.67(2004)107-158近年来中微子唯象

9、学综述文章选摘近年来中微子唯象学综述文章选摘(2)中微子一般唯象学：中微子一般唯象学：M.Gonzalez-Garcia,Y.Nir,Rev.Mod.Phys.75(2003)345-402V.Barger,D.Marfatia,K.Whisnant,Int.J.Mod.Phys.E 12(2003)569647Z.Z.Xing,Int.J.Mod.Phys.A 19(2004)1-79R.N.Mohapatra et al,hep-ph/0412099(2004)Leptogenesis机制：机制：W.Buchmuller,M.Plumacher,Int.J.Mod.Phys.A 15(20

10、00)50475086G.F.Giudice et al,Nucl.Phys.B 685(2004)89-149A.Pilaftsis,T.J.Underwood,Nucl.Phys.B 692(2004)303-345质量谱与味混合质量谱与味混合中微子质量谱与轻子味混合参数中微子质量谱与轻子味混合参数轻子味结构含轻子味结构含12个参数个参数:带电轻子质量带电轻子质量3个个 中微子质量中微子质量3个个 味混合角味混合角3个个 CP破坏位相破坏位相3个个混合矩阵混合矩阵(MNS矩阵矩阵Dirac位相位相；Majorana位相位相 与与):中微子振荡存活几率中微子振荡存活几率()():确定中微子质

11、量确定中微子质量平方差和混合角平方差和混合角中微子振荡实验数据的中微子振荡实验数据的Global Fit M.Maltoni等等,hep-ph/0405172中微子质量中微子质量Hierarchy与味混合组分与味混合组分宇宙学限制宇宙学限制(U.Seljak等等:astro-ph/0407372)：m_i 0.14 eV 来自来自m_1+m_2+m_3 0.42 eV(95%C.L.)。Smirnov Plot最重的中微子最重的中微子质量必大于或质量必大于或等于等于0.05 eV;最轻的中微子最轻的中微子质量可以为零质量可以为零费米子质量谱费米子质量谱难以想象的统一之梦难以想象的统一之梦该图假

12、设了中微子质量该图假设了中微子质量“Normal Hierarchy”(m_1m_2 0，直到今天。，直到今天。无极生太极无极生太极:B 0 来自来自B=0 的初态经过演化而产生。的初态经过演化而产生。如今如今:参考点参考点 t=1.2 1010y,宇宙温度宇宙温度 T 2.7 K。（BBN与与WMAP结果相一致）结果相一致）重子产生的重子产生的Sakharov条件条件基于基于Big Bang(Gamov 1946)的的Sakharov重子产生条件重子产生条件(1967):B 不守恒；不守恒；C 和和 CP 不守恒；不守恒；偏离热平衡。偏离热平衡。Baryogenesis机制机制:Planck

13、/GUT Baryogenesis;Electroweak Baryogenesis;Leptogenesis;Affleck-Dine Mechanism;(1975年获和平奖年获和平奖)前苏联氢弹之父前苏联氢弹之父 引入右手中微子引入右手中微子Ni，Seesaw机制压低左手中微子质量；机制压低左手中微子质量；重的重的Ni 衰变，树图与圈图振幅相干产生衰变，树图与圈图振幅相干产生CP破坏破坏i ；vs 偏离热平衡，偏离热平衡，CP不对称不对称i 导致轻子数不对称导致轻子数不对称YL；(g*相对论性自由度，相对论性自由度，d 冲淡因子冲淡因子)轻子数不对称轻子数不对称YL 通过弱电反常过程转化

14、为重子数不对称通过弱电反常过程转化为重子数不对称YB。(c 0.35)Leptogenesis机制的基本思想机制的基本思想(轻子数破坏轻子数破坏Majorana)Fukugita&Yanagida(1986):(见下图见下图)对对CP破坏有主要贡献的衰变图破坏有主要贡献的衰变图前苏联氢弹之父前苏联氢弹之父前苏联氢弹之父前苏联氢弹之父L高能与低能高能与低能CP破坏现象有联系吗？破坏现象有联系吗？(1)两类可靠的超出标准模两类可靠的超出标准模型的新物理可以在一个型的新物理可以在一个简单的图像内得到解释简单的图像内得到解释 一箭双雕一箭双雕前苏联氢弹之父前苏联氢弹之父宇宙的物质宇宙的物质-反物质不对

15、称反物质不对称(观测观测)太阳与大气中微子振荡太阳与大气中微子振荡(实验实验)Seesaw机制机制Seesaw 机制本身将高机制本身将高能标物理与低能标物理能标物理与低能标物理通过中间能标联系起来通过中间能标联系起来 四两拨千斤四两拨千斤高能与低能高能与低能CP破坏现象有联系吗？破坏现象有联系吗？(2)前苏联氢弹之父前苏联氢弹之父轻子味混合矩阵轻子味混合矩阵包含包含MR与与MD的若干信息。而的若干信息。而Ni 衰变产生的衰变产生的CP破坏效应破坏效应(假设假设M1M2M3,只有只有1 保存保存下来下来)表达为下式表达为下式:评述评述:重的右手中微子衰变中的重的右手中微子衰变中的CP破坏效应破坏

16、效应(1)与中微子振荡及与中微子振荡及其其CP破坏效应破坏效应(V)通过通过 Seesaw 公式存在联系公式存在联系,但这种联系一般并但这种联系一般并不直接不直接.在特定的模型里在特定的模型里,两者可以有直接的关联两者可以有直接的关联.困难困难:我们对轻子味结构一无所知我们对轻子味结构一无所知.Leptogenesis机制可以被验证吗机制可以被验证吗?三段论三段论:一般来说，一个机制可以被证伪，但无法被证实；只有一个一般来说，一个机制可以被证伪，但无法被证实；只有一个完整理论才具备被各种事实从各个方面验证的功能。完整理论才具备被各种事实从各个方面验证的功能。Leptogenesis机制本身不是

17、一个理论。机制本身不是一个理论。所以无法证明或者肯定它们是否正确，除非所以无法证明或者肯定它们是否正确，除非(基本理论基本理论)考古学的困惑考古学的困惑:如果发现中微子的确是如果发现中微子的确是Majorana粒子粒子(轻子数破坏轻子数破坏)；如果观测到了轻子如果观测到了轻子CP破坏效应；破坏效应；如果其他如果其他Baryogenesis机制都被排除或失去了自然性；机制都被排除或失去了自然性；或许可以推测或许可以推测Leptogenesis也许是宇宙的物质也许是宇宙的物质-反物质不对称反物质不对称现象的正确解释现象的正确解释(当然，味物理倘若发生了革命性进展，当然，味物理倘若发生了革命性进展，

18、.)。问题与展望问题与展望 Leibniz:why is there something rather than nothing?思想者的问题思想者的问题How massive are neutrinos?What are the implications of neutrino mass?What are the origins of mass?Why is there a spectrum of fermion masses?Why is the Universe made of matter and not anti-matter?谢谢大家！谢谢大家！推荐推荐问题问题:where are my clothes?