探寻超出标准模型的新粒子(精品).ppt

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1、探寻超出标准模型的新粒子标准模型标准模型超出标准模型超出标准模型Higgs 粒子参与的相互作用粒子参与的相互作用多多 Higgs 粒子的情形粒子的情形新的弱相互作用新的弱相互作用新的强相互作用新的强相互作用超对称性超对称性宇宙线物理和宇宙学给出的启示宇宙线物理和宇宙学给出的启示1/25/20231标准模型微观粒子之间的基本相互作用是：微观粒子之间的基本相互作用是：SU(3)色色规范规范相互作用和相互作用和 SU(2)U(1)电弱相互作用，他电弱相互作用，他们分别具有确定的规律并且具有确定的对称性。们分别具有确定的规律并且具有确定的对称性。微观物质由具有这些相互作用性质的微观物质由具有这些相互作

2、用性质的 61 种粒子种粒子组成，它们是：光子、组成，它们是：光子、3 种弱相互作用的中间种弱相互作用的中间玻色子、玻色子、8 种胶子、种胶子、6 种轻子、种轻子、6 种反轻子、种反轻子、18 种夸克、种夸克、18 种反夸克、种反夸克、1 种中性的种中性的 Higgs 粒子。这些粒子的存在是与这些相互作用密切粒子。这些粒子的存在是与这些相互作用密切相关的。相关的。1/25/20232超出标准模型超出标准模型的可能途径：超出标准模型的可能途径：1。存在新的还没有观察到的相互作用，这种相。存在新的还没有观察到的相互作用，这种相互作用可能在现有实验范围内还观察不到它的互作用可能在现有实验范围内还观察

3、不到它的显著效应；显著效应；2。微观物质世界具有新的对称性，这种对称性。微观物质世界具有新的对称性，这种对称性现在还没有被观察到，很可能是一种已经破缺现在还没有被观察到，很可能是一种已经破缺了的对称性。了的对称性。1/25/20233Higgs 粒子参与的相互作用如果如果 Higgs 粒子确实存在，虽然它可以参与和规粒子确实存在，虽然它可以参与和规范粒子的相互作用，但范粒子的相互作用，但 Higgs 粒子的自作用，粒子的自作用，它和费米子的汤川相互作用，都已经超出标准它和费米子的汤川相互作用，都已经超出标准模型的范围。模型的范围。因此，和因此，和 Higgs 粒子参与的相互作用有关的物理粒子参

4、与的相互作用有关的物理是超出标准模型的物理。也就是说是超出标准模型的物理。也就是说 Higgs 粒粒子参与的物理是超出标准模型的物理。子参与的物理是超出标准模型的物理。1/25/20234Higgs 粒子作为相互作用的媒介粒子实现的物理粒子作为相互作用的媒介粒子实现的物理过程是超出标准模型的物理过程。过程是超出标准模型的物理过程。首先要找到首先要找到 Higgs 粒子，才能观测粒子，才能观测 Higgs 粒子粒子参与的相互作用过程，探究与此相关的超出标参与的相互作用过程，探究与此相关的超出标准模型的物理。准模型的物理。在最小标准模型中认为自然界中只存在一种中性在最小标准模型中认为自然界中只存在

5、一种中性的的 Higgs 粒子，这个粒子的性质已经比较清粒子，这个粒子的性质已经比较清楚了。一旦这种粒子被发现，就可以在此基础楚了。一旦这种粒子被发现，就可以在此基础上研究上研究 Higgs 粒子作为相互作用的媒介粒子粒子作为相互作用的媒介粒子的物理过程。的物理过程。1/25/20235但是但是 Higgs 粒子可以不只是一种中性的，有可粒子可以不只是一种中性的，有可能存在几个中性的能存在几个中性的 Higgs 粒子，还可能有几粒子，还可能有几个带电的个带电的 Higgs 粒子。粒子。如果找到的如果找到的 Higgs 粒子不仅是中性的，还可以粒子不仅是中性的，还可以有带电的，则有带电的，则 H

6、iggs 粒子有关的物理将是一粒子有关的物理将是一个丰富多彩的领域，这是一个与标准模型相近个丰富多彩的领域，这是一个与标准模型相近的超出标准模型的物理领域。的超出标准模型的物理领域。如果存在不止一种如果存在不止一种 Higgs 粒子，它们的质量并不粒子，它们的质量并不相同，它们的运动行为也不相同。很可能其中相同，它们的运动行为也不相同。很可能其中一个中性的一个中性的 Higgs 粒子质量最低，其它的质粒子质量最低，其它的质量比它高，甚至高一个数量级。量比它高，甚至高一个数量级。1/25/20236多 Higgs 粒子的情形粒子的情形几种可能的多几种可能的多 Higgs 粒子的情形：粒子的情形：

7、H0,H0,f f0,f f+,f f-H0,f f0,f f+,f f-H0,H0,f f0,f f+,f f-,f f+,f f-其中第一种情形中其中第一种情形中 5 种种 Higgs 粒子的质量没有直粒子的质量没有直接的限制和约束。后接的限制和约束。后 2 种情形中种情形中 H0 的质量较的质量较轻，其它的轻，其它的 Higgs 粒子质量至少要比粒子质量至少要比 H0大一大一个量级。个量级。这些重这些重 Higgs 粒子质量很重，但衰变宽度很小，粒子质量很重，但衰变宽度很小，是窄宽度粒子，是窄宽度粒子，G G/m 0.01，很小，这是有利很小，这是有利于辨认的特征。于辨认的特征。1/25

8、/20237现在实验上还没有发现现在实验上还没有发现 Higgs 粒子，实验给出粒子，实验给出中性中性 Higgs 粒子质量的下限为粒子质量的下限为 m 114.4 GeV,CL=95%.Higgs 粒子是极不稳定的粒子，它的衰变道很多，粒子是极不稳定的粒子，它的衰变道很多，很难辨认。寻找很难辨认。寻找 Higgs 粒子参与的物理过程粒子参与的物理过程是新物理的表现。考虑到是新物理的表现。考虑到Higgs 粒子的质量很粒子的质量很大，实验上寻找大，实验上寻找Higgs 粒子，以及观测粒子，以及观测Higgs 粒子参与的过程，都需要很高能量的碰撞才能粒子参与的过程，都需要很高能量的碰撞才能实现。

9、在实现。在 LHC 上可以进行这些实验。上可以进行这些实验。1/25/20238新的弱相互作用新的弱相互作用如果电弱相互作用实际上不是如果电弱相互作用实际上不是 SU(2)x U(1)规规范相互作用，而是更高对称性的规范相互作用，范相互作用，而是更高对称性的规范相互作用，这就是引入了新的弱相互作用。过去研究得较这就是引入了新的弱相互作用。过去研究得较多的几种更高对称性的情形是：多的几种更高对称性的情形是：SU(2)L x U(1)x U(1),增增 Z SU(2)L x SU(2)R x U(1),增增 W+R,W-R,ZR SU(3)x U(1).增增 5 个重规范粒个重规范粒子子新增加的规

10、范粒子就是新的弱相互作用的媒介粒新增加的规范粒子就是新的弱相互作用的媒介粒子。由于这些新增加的规范粒子比已知的子。由于这些新增加的规范粒子比已知的 W，Z 重很多，在现在的能量范围内，新的弱相重很多，在现在的能量范围内，新的弱相互作用的效应被弱相互作用所掩盖，导致新的互作用的效应被弱相互作用所掩盖，导致新的弱相互作用一直没有被发现。弱相互作用一直没有被发现。1/25/20239如果有新的弱相互作用，就预言将存在并可以观如果有新的弱相互作用，就预言将存在并可以观察到多个新的规范玻色子和多个新增加的察到多个新的规范玻色子和多个新增加的 Higgs 粒子。但这些新的规范玻色子和粒子。但这些新的规范玻

11、色子和 Higgs 粒子的质量都远远高于现在已经发现的粒子的质量都远远高于现在已经发现的 Z 粒子。粒子。在高能范围有可能观察到新的弱相互作用的显著在高能范围有可能观察到新的弱相互作用的显著物理效应，也才有可能观测到新的规范玻色子物理效应，也才有可能观测到新的规范玻色子和新的和新的 Higgs 粒子。估计在粒子。估计在 LHC 上可以进上可以进行这些实验。行这些实验。1/25/202310新的强相互作用新的强相互作用如果存在新的还没有观察到的相互作用，这种相如果存在新的还没有观察到的相互作用，这种相互作用可能在现有实验范围内还观察不到它的互作用可能在现有实验范围内还观察不到它的显著效应。这种相

12、互作用应该是一种比色作用显著效应。这种相互作用应该是一种比色作用更强的相互作用，并且应该是一种非常短程的更强的相互作用，并且应该是一种非常短程的相互作用。相互作用。现在已经发现的夸克、轻子都不能直接参与这种现在已经发现的夸克、轻子都不能直接参与这种相互作用，至少在相互作用，至少在 100 GeV 能量以下范围内不能量以下范围内不能参与这种相互作用。能参与这种相互作用。如果是规范相互作用，则这种相互作用是一种非如果是规范相互作用，则这种相互作用是一种非 Abel 规范场，强耦合、短程。规范场，强耦合、短程。1/25/202311 过去理论上提出的彩色（过去理论上提出的彩色（technicolor

13、）相互作相互作用就是这种相互作用。用就是这种相互作用。色相互作用只有在能量在色相互作用只有在能量在 GeV 量级的碰撞中才量级的碰撞中才能显现出来，能参与色相互作用的粒子能显现出来，能参与色相互作用的粒子夸克夸克和胶子也才能在碰撞中产生和被观察到。可以和胶子也才能在碰撞中产生和被观察到。可以预期，新的强相互作用只有在预期，新的强相互作用只有在 TeV 量级或更量级或更高能量的碰撞中才能显现出来，也只有在这能高能量的碰撞中才能显现出来，也只有在这能量下新的强相互作用的媒介粒子才能产生和被量下新的强相互作用的媒介粒子才能产生和被观察到。观察到。1/25/202312在在 GeV 量级的碰撞中产生正

14、反夸克对和胶子是量级的碰撞中产生正反夸克对和胶子是以强子喷注的形式被观测到的，夸克和反夸克以强子喷注的形式被观测到的，夸克和反夸克表现为喷注，胶子则表现为一个胖喷注。类比表现为喷注，胶子则表现为一个胖喷注。类比之下，可以预期，在之下，可以预期，在 TeV 量级的碰撞中产生量级的碰撞中产生具有新的强相互作用能力的新粒子和新的强相具有新的强相互作用能力的新粒子和新的强相互作用的媒介粒子也将以某种形式的超喷注出互作用的媒介粒子也将以某种形式的超喷注出现。现。期望在期望在 LHC 的实验中能观测到。的实验中能观测到。1/25/202313超对称性微观物质世界具有新的对称性，这种对称性现在微观物质世界具

15、有新的对称性，这种对称性现在还没有被观察到，很可能是一种已经破缺了的还没有被观察到，很可能是一种已经破缺了的对称性。对称性。现在研究得比较多的是超对称性。如果微观世界现在研究得比较多的是超对称性。如果微观世界具有超对称性，按照超对称标准模型，所有的具有超对称性，按照超对称标准模型，所有的粒子，包括规范粒子，都有它的超对称配偶粒子，包括规范粒子，都有它的超对称配偶。并且并且 Higgs 粒子的数量也将大大增加。这样微粒子的数量也将大大增加。这样微观世界的粒子至少比标准模型中有的增加一倍。观世界的粒子至少比标准模型中有的增加一倍。由于超对称性在很高能量就已经破缺，所有这些由于超对称性在很高能量就已

16、经破缺，所有这些超对称配偶粒子可能都具有很重的质量，很可超对称配偶粒子可能都具有很重的质量，很可能都在能都在 100 GeV 以上。以上。1/25/202314按照最小超对称标准模型，还应该存在的超对称按照最小超对称标准模型，还应该存在的超对称性配偶粒子有：光微子、性配偶粒子有：光微子、6 种带电微子、种带电微子、6 种种中性微子、中性微子、8 种胶微子、种胶微子、6 种标量轻子、种标量轻子、6 种种标量反轻子、标量反轻子、18 种标量夸克、种标量夸克、18 种标量反夸种标量反夸克。它们都应有很重的质量，可以在高能碰撞克。它们都应有很重的质量，可以在高能碰撞中产生。中产生。这些配偶粒子的性质和

17、运动行为都是已知的，并这些配偶粒子的性质和运动行为都是已知的，并且它们可以互相转化，很可能最轻的配偶粒子且它们可以互相转化，很可能最轻的配偶粒子是稳定的，如果是这样，可能自然界存在很重是稳定的，如果是这样，可能自然界存在很重的稳定粒子。的稳定粒子。1/25/202315宇宙线物理和宇宙学给出的启示1972 年云南宇宙线站观测到一个长寿命的带电年云南宇宙线站观测到一个长寿命的带电重粒子重粒子 C+，这个新的带电重粒子的性质为：这个新的带电重粒子的性质为：质量质量 m 43 GeV；寿命寿命 t 0.406 x 10-9 sec.如果它不稳定，可以衰变成中性的如果它不稳定，可以衰变成中性的 C0，

18、C0 的的质质量量 m 42.7 GeV。如果如果 C+和和 C0 确实存在，都不是标准模型要求确实存在，都不是标准模型要求存在的粒子，也不是标准模型粒子组成的复合存在的粒子，也不是标准模型粒子组成的复合粒子，都是超出标准模型的新粒子。粒子，都是超出标准模型的新粒子。1/25/2023161979 年年 Kolar 金矿矿井实验中观察到一个金矿矿井实验中观察到一个“双双芯芯”事例，表现为两个能量分别为事例，表现为两个能量分别为 100 GeV 和和 80 GeV 的簇射，它们之间的夹角是的簇射，它们之间的夹角是 26 度。度。如果这事例是来自一个重粒子的衰变，则这个重如果这事例是来自一个重粒子

19、的衰变，则这个重粒子的质量的下限是粒子的质量的下限是 40.2 GeV。如果这事例是来自一个粒子和核子的碰撞，不先如果这事例是来自一个粒子和核子的碰撞，不先验地假定是由零质量的中微子引起的反应，则验地假定是由零质量的中微子引起的反应，则定出这个入射粒子质量的下限是定出这个入射粒子质量的下限是 35.8 GeV。这实验也表明可能有长寿命或稳定的中的带电的这实验也表明可能有长寿命或稳定的中的带电的或中性的粒子存在，其质量也至少是质子的数或中性的粒子存在，其质量也至少是质子的数十倍以上。十倍以上。1/25/2023171980 年巴西年巴西-日本组在超高能宇宙线实验中观测日本组在超高能宇宙线实验中观

20、测到到“Centauro”事例，事例，1984 年帕米尔协作组年帕米尔协作组也在超高能宇宙线观测中观测到也在超高能宇宙线观测中观测到“Centauro”事例。这种事例入射粒子能量很高，碰撞产生事例。这种事例入射粒子能量很高，碰撞产生的次级粒子不多，能量很大，例如有一个事例的次级粒子不多，能量很大，例如有一个事例中次级粒子能量和为中次级粒子能量和为 7 x 1014 eV。但是在次但是在次级粒子中没有光子、级粒子中没有光子、p p0 介子、介子、h h 介子。介子。Centauro 事例是很奇特的现象，不能用粒子物事例是很奇特的现象，不能用粒子物理和核物理中的各种碰撞模型来解释，也很难理和核物理

21、中的各种碰撞模型来解释，也很难以在标准模型的基础上理解和解释。以在标准模型的基础上理解和解释。1/25/202318宇宙中存在大量暗物质，组成冷暗物质的粒子是宇宙中存在大量暗物质，组成冷暗物质的粒子是中性的稳定的或寿命近于宇宙年龄的重粒子。中性的稳定的或寿命近于宇宙年龄的重粒子。这种粒子肯定是超出标准模型的粒子，需要设这种粒子肯定是超出标准模型的粒子，需要设法从实验上找到这种粒子。如果这种冷暗物质法从实验上找到这种粒子。如果这种冷暗物质粒子的质量在粒子的质量在 GeV 量级内，还是有希望能在量级内，还是有希望能在 LHC 的实验中能找到这种粒子。的实验中能找到这种粒子。需要着重在需要着重在 LHC 上寻找各种性质和各种类型的上寻找各种性质和各种类型的超出标准模型的新粒子。超出标准模型的新粒子。1/25/202319