粒子物理

粒子物理

   

创建于2008-04-16     组长:天命玄鸟

粒子物理学是研究组成物质的基本粒子及其相互作用的物理学的一个分支。大部分微观粒子不是稳定的长寿命粒子,在自然界中不大量存在,物理学家只能在高能宇宙线与地球大气的相互作用过程产生的末态粒子中或者利用加速器将粒子加速到接近光速的高能状态下碰撞产生的末态粒子中才能够见到他们的身影,因此粒子物理学也被称为高能物理学。

实验粒子物理学
国际合作的大型粒子物理实验
欧洲核子研究中心(CERN)位于法国和瑞士边境日内瓦附近,正在运行中的实验装置大型强子对撞机(LHC),2008年开始运行,有ATLAS、CMS、ALICE、TOTEM等几个实验组/探测器,进行14 TeV能量的质子+质子碰撞和5TeV的铅+铅碰撞(目前只能达到一半能量),亮度10^34,物理目标是寻找希格斯粒子、超出标准模型的新物理、夸克胶子等离子体的精细测量等,是目前造价最昂贵、吸引最多实验和理论粒子物理学家的大型国际合作项目。
布鲁克海文国家实验室(BNL)位于美国长岛,其主要设备是相对论重离子对撞机(RHIC),2000年开始运行,进行200GeV能量的金+金、金+氘、质子+质子碰撞和500GeV的极化质子+质子碰撞,亮度10^27,主要目标定位于寻找夸克胶子等离子体(QGP)、核子的夸克胶子结构等。
杰佛逊国家实验室(Jlab)位于美国弗吉尼亚州(Virginia),有6GeV的电子打靶实验,目前正在升级12GeV的电子打靶实验,可以进行极化的电子+质子、电子+氘核、电子+He3等实验,亮度在10^33~10^39之间,在核子的夸克胶子结构、核子自旋、原子核物理等方面做了很多重要工作。
有两个大型实验已经停止运行,数据分析在进行中。一个是位于德国汉堡的电子同步加速器研究所(DESY),其主要设备是强子电子环设备(HERA),可用电子和正电子与质子相撞;另一个是位于美国芝加哥附近的费米实验室(FNAL),其主要设备是太伏质子加速器(Tevatron),碰撞质子与反质子。
斯坦福直线加速器中心(SLAC)位于美国帕洛阿图附近,其主要设备是PEP-II,用来碰撞电子和正电子。 SLAC有一个B介子工厂 Barbar。
高能加速器研究机构位于日本筑波,拥有一个测试微中子振荡的K2K和测试正反B介子违反电荷宇称(CP)守恒性的B介子工厂: Belle。
布德克核子物理研究所位于俄罗斯新西伯利亚。
位于中国北京的正负电子对撞机(BEPC),目标定位于tau轻子-粲夸克相关领域,累积了世界上最大的j/psi粒子数据样本库,在粲强子谱、XYZ奇异粒子、标准模型精细测量等方面执行业之牛耳。
非加速器物理实验只利用自然中的宇宙线或者核电站产生的中微子束流进行的实验。放置在国际空间站的AMS-02实验,由丁肇中领导,主要目标是寻找宇宙中的反物质和暗物质信号;另外还有一系列超高能宇宙线实验,如Telescope Array和Auger观测站等。
中国重要的非加速器实验有以下几个。位于广东大亚湾核电站附近的大亚湾中微子实验,在中微子混合角theta_13的精确测量方面做出了很好的工作;位于甘肃兰州的近代物理研究所,拥有冷却储存环(CSR)和进入项目实施阶段的重离子应用装置(HIAF),在核物理、重离子治癌等方面具有很多应用;位于西藏羊八井的As-Gamma和ARGO宇宙线观测站,在宇宙线研究方面占有一席之地;四川锦屏山地下的暗物质探测实验,能够检验一大类暗物质理论模型。
未来正在规划的对撞机,包括国际直线对撞机(ILC)、主要由美国核物理界推动的电子离子对撞机(EIC)、在LHC基础上增加电子束最高能量电子质子碰撞的LHeC、德国的GSI和中国正在规划的一系列大科学装置。

理论粒子物理学
粒子物理学当前的标准理论为标准模型,主要基于量子场论和定域规范不变性原理。标准模型与当前实验数据精确符合,所有实验上看到的对标准模型的偏离都在3个标准偏差以内(5个标准偏差的信号才能够被确信为信号而非背景涨落)。随着希格斯粒子的发现,标准模型的最后一块拼图被补上。
但是,标准模型也并非完美的理论。参数过多、费米子质量差别过大等一系列问题的存在,促使人们研究超出标准模型的新物理理论。这方面重要的工作有超对称模型、额外维度模型等等。
一个重要的工作点是更好地理解标准模型理论和其实验结果,从试验中获得更精确的参数,这个工作点测试标准模型理论的极限来扩大我们对自然的理解。这个工作最大的困难在于量子色动力学中对多个物体计算时的困难。一些理论家将他们的精力集中在有效场论。
另一个重要的工作点是建立超过标准模型理论的模型。由于今天的实验数据还不够,这个工作非常困难。新的理论结构有超对称、希格斯机制、阮桑模型、前子理论等等。
第三个重要的工作点是弦理论,其目的在于统一量子力学和广义相对论。
此外还有一些其它的理论工作如圈量子引力理论等。

展望
当前,希格斯粒子已经被LHC发现,人们正在积累和分析数据以精确测量希格斯粒子的性质,确定他是标准模型希格斯还是超出标准模型的希格斯。LHC的另外一个重要任务是寻找超出标准模型的新物理,如超对称、额外维度、量子化的引力等。LHC预计将稳定运行15年以上。受LHC上希格斯粒子发现的推动,国际直线对撞机 (ILC)项目的前景也越发光明。这个对撞机的技术实现方法已于2004年8月决定,但其地址还没有决定。国际直线对撞机与大型强子对撞机是互相补充的实验设备,大型强子对撞机更适合用来寻找新的粒子,而国际直线对撞机则更适合用来精确地测量这些粒子的特性。
粒子物理学的其它重要目标包括测量微中子的静质量和澄清质子的双重β衰变是否存在。这些实验不一定需要使用对撞机。随着对撞机造价的飙升,非加速器物理将会起到越来越重要的作用。



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