费米国家实验室的未来走向

2009年,位于日内瓦的欧洲核子中心(CERN)的粒子物理学实验室的大型强子对撞机(LHC)投入使用;而在此前的26年,芝加哥附近巴达维亚的费米实验室的正负质子对撞机(Tevatron)一直统治着粒子物理学领域。Tevatron也是费米实验室的骄傲和希望,它曾是第一台用高达1万亿电子伏轰击粒子的机器,捕获了许多新奇亚原子粒子,其中包括顶夸克的发现(顶夸克属于上夸克的近亲,但其质量要略重)     

顶夸克的发现：意义和展望

强子结构夸克模型加上相互作用规范理论构成了一个相当完美的理论,并被视作当代粒子物理学的基石。但是夸克家族中却有一个成员迟迟不肯露面,这就不能不使这一优美的理论显得白壁有瑕。美国国立费米实验室CDF实验组于1994年证实了顶夸克的存在,消除了粒子物理学家的心患。或许这一发现的意义还不止于此……     

广义Noether 恒等式和杨-Mills 场

重质量杨-Mills理论,一般是非规范不变的,物质场和规范场耦合的规范不变拉氏量在费米场的局域手征变换下也是变更的,因此需研究非不变性系统的变换性质。     

复标量场的新正交完备表象与应用

给出复标量场φ（ｘ）与φ＾＋（的新的共同本征态，它们组成一个正交完备的矢量空间。在此基础上，电荷共轭幺正算符与复标量场的Ｂｏｇｇｏｌｙｕｂｏｖ变换可以干净利落地导出，给出的本征态不同于２个独立实标量场本征态的直积，因此称为关联本征态。     

’96,世界科技成果回顾

高能物理 1996年2月,美国费米国立加速器实验室的科学家发现,夸克之间存在着剧烈的碰撞,并认为基本粒子夸克可能由更深层次的物质微粒组成,夸克或许并非自然界中最小的粒子;3月,美国国家实验室成功地将氢气转化成了电的良导体,使之星金属态达1秒钟之久,这是人类首次以令人信服的实验制成金属氢;年底,美国费米国立加速器实验室在基本粒子研究方面又获新的进展,继欧洲核子研究中心之后再次成功地用反质子和正电子制造出了7个反氢原子,以有力的事实向世人表明,大量生产反物质原子将是可能的。     

普适弱电统一理论

实现弱电统一,要求从规范原理(局域规范不变性)的角度研究宇称不守恒问题。文献[1]证明了规范场只有两种类型,除了宇称守恒的矢量规范场外,宇称破坏的规范场只能是左(右)手规范场,并证明了左手规范耦合常数等于右手规范耦合常数。把这个结果用到弱作用,自然得到两个推论:第一,由于费米子(例如电子)的左右手超荷Y_(L,R)一般不相等,这种左右不对称性要求和它耦合的规范场必须是宇称破坏的左右手规范场。也就是说,必须存在两个U(1)     

超对称性和超引力场

目前有大量的实验证据支持用重整化的规范场来统一描述弱、电、强三种相互作用。尽管这种理论取得了很大的成绩,但它还有些基本缺点。例如,把描述夸克的量子色动力学与弱电统一模型结合起来,要有20多个任意参数,而理论对这些参数不能给出任何预言。即使用大统一理论也不能把这些任意参数减少很多。另外,在大统一理论里有两个不同的质量尺度:一个是传播弱作用力的中间玻色子,其质量约100千兆电子伏;另一个是用于统一弱、电、强的大统一子的质量,约为10~(15)千兆电子伏。这个大的质量差异,从理论上是无法解释的。同时在量化场的重整化过程中这个质量差又是不稳定的。还有其他一些问题,例如,大统一场理论不能对基本粒子谱作出解释,同时,理论还没有把引力场包括进去。但是,当基本粒子质量达到普郎克质量(10~(19)千兆电子伏)时,引力场对基本粒子的作用就变得很重要了,必须考虑引力场。     

质量起源和自然性问题

粒子物理中粒子质量的起源是一个很重要的基本问题.在粒子物理的标准模型中,粒子通过电弱对称破缺机制得到质量.近年来希格斯粒子的发现对于检验以及人们更深入地理解电弱对称破缺机制起到了里程碑的作用,但是理论中仍旧有一些重要的问题亟待解决,其中最关键的是如何稳定电弱对称破缺的能标,即所谓的自然性问题.为了解决这一问题,需要引入新物理来屏蔽高能标物理对希格斯粒子的质量修正.其中有两大类新物理模型可以解决希格斯的自然性问题:第一类是超对称模型,这类模型是通过费米和玻色子之间的对称性来消除希格斯质量的二次发散;第二类是复合希格斯模型,这类模型是通过希格斯的束缚态的特性来降低希格斯对高能标物理的敏感度.在超对称模型中,每一个标准模型场都会有一个超对称伴随子,这使得整个理论非常复杂,而复合希格斯模型却可以非常简单地解决自然性问题.本文首先综述标准模型中的希格斯机制以讨论希格斯的自然性问题;然后一般性地讨论超对称模型及其唯象;最后主要集中讨论复合希格斯模型,基于复合希格斯粒子物理模型,对解决希格斯自然性问题的理论挑战、研究现状以及解决方案进行详细阐述.     

五夸克态的实验发现

2015年,大型强子对撞机上的LHCb实验在■衰变末态中,发现J/ψ和p不变质量谱中存在明显的增强结构.通过达里兹图分析,首次在实验上确认存在由5个夸克组成的粒子.全振幅分析表明,至少需要两个五夸克态才能很好地描述数据,这两个五夸克态被命名为Pc(4450)和Pc(4380). 2019年,利用9 fb–1积分亮度的数据,并采用重新优化了的选择条件, LHCb实验再次研究■衰变末态的J/ψ和p不变质量谱,发现了一个新的五夸克态Pc(4312),同时观测到之前发现的Pc(4450)是两个质量相邻窄共振态P_c(4440)和P_c(4457)的叠加.发现包含粲夸克偶素的五夸克粒子是对传统强子组成的重要突破,其内部结构有很多种可能性,如紧束缚的五夸克态、重子-介子分子态等或者它们的叠加态.作为国际高能物理学界的前沿方向,对五夸克粒子结构的研究为探索强相互作用非微扰性质打开了一扇新的窗口.     

高能实验的现状和展望

最近，一些国际大型合作实验组令人兴奋地观测到一些高能物理事例，如欧洲粒子研究中心和费米实验室都先后合成并观测到反物质原子（即反氢原子），打开了深入研究、认识反物质世界的通道。费米实验室ＣＤＦ的实验结果引发了夸克的结构问题，德国汉堡ＤＥＳＹ实验室的电子...     

粒子物理的新前沿

夸克和轻子表现为物质的基本成分。此外可能还要加上弱力和电磁力的统一理论以及强(核)力的新理论的场粒子,或媒介物。本文简述了这幅新图象的若干主要的证据,并指出了一些尚待回答的问题。     

拓扑超导与马约拉纳费米子

拓扑超导体是由具有配对能隙的体态以及由马约拉纳(Majorana)费米子所组成的无能隙表面态所构成的,其中马约拉纳费米子的反粒子就是它自身.马约拉纳费米子态是研究非阿贝尔统计的理想平台,能构成容错型拓扑量子计算的拓扑量子比特,具有丰富的物理意义和巨大的潜在应用价值.因此,近年来拓扑超导体和马约拉纳费米子的研究在凝聚态物理领域吸引了许多关注.本文综述了在凝聚态物理领域内实现拓扑超导的不同方法,从零维到一维马约拉纳费米子态,即马约拉纳费米子束缚态到马约拉纳费米子边缘态,进行综合的阐述.这些马约拉纳费米子态分别是局域化的和传播的量子态,但仍保持着非阿贝尔统计规律和拓扑特性.对不同的材料系统,从一维的量子线到二维的材料平台,从混合系统到本征材料系统,都会进行详细的介绍和讨论.最后还总结了证明拓扑超导体的可能存在性的相关理论和实验结果,并展望实现拓扑量子计算的前景和手段.     

γ粒子的发现

预料之中的发现与曾经轰动一时的J/ψ粒子的发现不同,γ粒子似乎是预料之中的产物。这一点并不奇怪,因为1974年以后,物理学家就确信,构成自然界的基本砖块除了已发现的下(d)、上(u)、奇(s)、粲(c)夸克外,很可能还存在着更重的底(b)、顶(t)等夸克。我们周围最常见的核物质,是由质量最轻的u、d夸克组成的。质量较重的s、c夸克则组成不稳定的奇异粒子和粲粒     

一个由量子数决定的磁矩公式

迄今,强子的磁矩公式通常都基于夸克模型,重子磁矩由夸克及其相互作用决定。虽然由此获得了著名的结论μ(n)/μ(P)=-2/3和若干进展,但是这必然涉及粒子的结构和尚无定论的内部相互作用。因此,一直是一个不断探讨的问题。本文提出一种新方法,它类似于强子的GMO质量公式,重子磁矩由重子的量子数决定。这种方法与粒子的具体组分和相互作用无关。     

全球首次发现双粲重子

正欧洲核子研究中心2017年7月6日宣布,经多国科学家共同努力,在世界上首次发现了一种被称为双粲重子的新粒子,这将有助于人类深入理解物质的构成和强相互作用的本质。中国团队对这一发现功不可没。在现代粒子物理学的标准模型理论中,夸克是基本粒子,而重子是由3个夸克组成的复合粒子。几乎所有物质都由重子组成,其中最广为人知的就是组成物质原子核的质子和中子。夸克有6种,分别称为上、下、奇、粲、顶和底夸克,上、下夸克质量最小,奇、粲、顶、底夸克质量较大。质量大的夸克只能经由高能粒子     

标量场夸克禁闭弦和ψ粒子谱

本文通过引入夸克场和标量场的相互作用,从量子场论的基本原理导出了具有线性禁闭势的薛定谔方程,并求得了和实验相符合的(?)粒子谱。希望使近年来通过线性势薛定谔方程唯象地讨论夸克禁闭的工作与量子场论结合起来。     

为了探索自然的对称与和谐：爱因斯坦的宏愿在实现（下）

关于强作用的各种理论中,最受人重视的是量子色动力学,它是在1964年盖尔曼(M.Gell-Mamm)和奈曼(Y.Ne'eman)提出夸克模型之后建立起来的。该模型假定,强子皆由夸克构成:重子是由三个不同“色”的各种夸克构成的色单态,而介子是由正反夸克构成的色单态。这就表明,夸克除有“味”量子数(区别夸克     

吴健雄与β衰变(二)——β衰变对揭示弱作用本质的贡献

在过去的半个多世纪里,月衰变的研究对理解弱作用的本质起了主要的,甚至可以说是决定性的作用.在文章的这一部分①我们将比较详细地介绍人们通过尹衰变认识弱作用本质的过程:从费米提出月衰变理论,确定普适(V一A)费米相互作用,一直到弱作用和电磁作用的统一。     

真空涨落与基本粒子构成

在GWS理论中,利用Higgs场、规范场与旋量场之间的相互作用形成了W、Z~0与轻子,其中Higgs场就是一类真空标量场。Heisenberg曾用旋量场构成费米子。李政道从σ模型出发建立了非线性旋量场方程。在此基础上我们试着再前进一步,假设存在标量、矢量、旋量真空场,并且假定各类粒子分别由它们的涨落形成。按此方案,我们讨论了几类非线性方程的典型解,还着重用数值法求解了九类非线性旋量场方程的孤粒子解。最后对结果作了评论。     

SU(2)瞬子和Witten反常

非-阿贝尔规范理论的渐近自由虽然使得构造一个重正化的可微扰计算的相互作用场论成为可能,但也遗留下一些疑难,如大距离下的强规范力图象,以及缺乏自洽的费米子凝聚机制,在一个含奇数个左手(weyl)费米子双重态的SU(2)规范理论中,上面的问题促使witten对理论的数学相容性提出质疑,事实上,他发现了基本泛函积分中的反常:包含奇数个左手费米子双重态的泛函积分导致平庸的结果。