粒子物理-Indico@IHEP-中国科学院高能物理研究所

轻强子谱的实验研究沈肖雁中国科学院高能物理研究所2008年6月23日主要内容简介介子谱•常规介子谱•胶子球谱•混杂态•多夸克态重子谱3什么是高能物理?高能物理，又称粒子物理,它研究•物质的基本结构、基本性质•物质之间相互作用粒子物理,是分子物理,原子物理,原子核物理的自然发展与深化粒子物理与天体物理和宇宙学密不可分无穷小无穷大4宇宙起源与演化生命起源及其本质粒子物理与宇宙学：联合与交叉同步辐射与中子散射:提供关键的研究手段物质基本结构21世纪自然科学研究的三个最重要前沿物质科学是一切现代科学的基础5高能物理研究的范围及其要解决的基本问题:1。寻找构成物质世界的基本元素2。研究物质间的相互作用规律及其统一模式3。明了基本粒子的性质4。理解宇宙起源与演化的规律高能物理研究涉及国家安全和经济发展的关键技术•加速器•核探测技术与核电子学•真空，微波，高频，低温，网络，自控，。。。6粒子物理要解决的基本问题:1.寻找构成物质世界的基本元素物质无限可分？哲学命题与科学问题的区别•同样的问题,近似的理论•哲学命题:思辩•科学问题:定量(数学),实验•粒子物理标准模型:一种能定量描述与解释所有实验现象的理论类似于元素周期表：夸克模型71947年前，我们只知道很少的“粒子”，如质子、中子、电子、μ子等，人们认为这些粒子就是构成物质的最小单元，称之为“基本粒子”。此后，在宇宙线实验和粒子加速器实验中发现了大量的粒子：π，π0，K，K0，K0，Λ，，Ξ，Δ…约几百种。有的寿命很短，产生出来很快就蜕变成别的粒子。问题：是不是这几百种粒子都是“基本”的？王淦昌发现反西格玛负超子81963年,根据大量的实验数据,盖尔曼等猜测这些粒子具有内部结构,并给出了计算这些粒子质量的公式盖尔曼的夸克模型：共有三种夸克u,d,s60年代中期,中国的粒子物理学家曾提出了层子模型介子由（qq）构成重子由（qqq）构成+(ud)质子(uud)M.Gell-Mann1969Nobel9质量公式预言m-1670MeV实验m-1672.450.29MeVsI3K+(us)K0(ds)-(ud)+(ud)K-(su)0K0(sd)sI3K*+K*0-K*-+K*00sI3n(udd)p(uud)-(dds)0(uds)0+(uus)-(dss)0(uss)(sss)△0△-△+△++0*-*+(ddd)(udd)(uud)(uuu)(dds)(uds)(uus)*-*0(uss)(dss)-自旋为00=uu-dd2自旋为110建立夸克模型的关键实验:电子轰击质子(1972)质子并不是一个几何点。它有大小，其半径10-13cm，电荷就分布在这样一个小空间范围质子内部分布着大量的点电荷定量分析表明,质子是由三个夸克组成eeJeromeI.Friedman等，1992Nobel111974年—丁肇中、B.Richter发现J/粒子→charm夸克(c)mc~1.5GeVJ/Ψ由(cc)构成。1977年—L.Lederman发现(9.5GeV)→Beauty(Bottom)(b)mb~5GeV(9.5)由(bb)构成1994年—Fermilab，CDF组发现Top夸克(t)mt~176GeV12udcstbemtnenmnt电荷+2/3-1/30-1夸克(q)轻子(l)“基本”粒子从轻到重13粒子物理要解决的基本问题:2.研究物质之间的相互作用物质之间已知的相互作用•引力相互作用•电磁相互作用•弱相互作用•强相互作用相互作用的传播•所有的相互作用均通过传播子以光速传播•引力:质量,引力子(?)•电磁力:电荷,光子宏观(经典)作用力微观(量子)作用力14弱电统一弱作用本质上与电磁作用是同一种力,就象电与磁是同一种力,均可由麦克斯韦方程描述一样弱电统一理论70年代由温伯格等提出,其基础是杨振宁与Mills提出的杨-Mills规范场理论Rubbia等80年代通过实验证实了弱电统一理论问题：•弱作用:弱荷,W,Z0•W,Z0有质量，如何传播相互作用？解决办法：•W,Z0与一种叫做Higgs的粒子相互作用•寻找Higgs粒子是目前粒子物理研究的首要任务CarloRubbia1984nobel15强相互作用:量子色动力学描述强相互作用的理论。强子（参与强相互作用的粒子）由夸克组成。夸克与胶子是有颜色的（色荷）。“夸克渐进自由”为理论基础。强相互作用的渐近自由理论已被实验所证实。16标准模型是粒子物理的基本理论物质结构：物质由三代轻子与夸克构成:自然界中四种相互作用中的三种:粒子物理－标准模型理论tmnnntmeebsdtcu｝电弱统一理论(EW)粒子物理是研究物质深层结构和相互作用的基础学科：始终处于科学发展的最前沿电磁作用弱作用量子色动力学(QCD)强作用BESt-粲物理研究17夸克模型介子由（qq）构成重子由（qqq）构成在夸克模型中：标准模型中的基本粒子分类夸克和轻子（matterconstituents）六种夸克和六种轻子分为三代：(三代费米子—自旋为半整数的粒子)中间玻色子（自旋为整数的粒子）－传播相互作用ForceCarrier：光子（γ）、W粒子、Z粒子电弱相互作用胶子（gluon）强相互作用Higgs玻色子－决定物质质量标准模型中唯一尚未发现的粒子uctemtdsbnenmnt夸克轻子基本粒子分类（名词）常识按质量分类(oldconvention)轻子（lepton）：例－电子（e）、中微子介子（meson）：例－π介子重子（baryon）：例－质子、中子强子后来，介子和重子因参加强相互作用被统称为强子。自然界现已发现大约140种介子和大约120种重子，它们是否还有深层结构？标准模型（EW＋QCD）的检验以在欧洲核子物理中心（CERN）的LEP对撞机上的四个实验为主，对标准模型，尤其是弱电理论进行了大量精确检验，证明了标准模型的巨大成功。标准模型建立发展的三十多年中，多项获诺贝尔物理奖。量子色动力学（QCD）•在高能（10GeV)下预言的“渐近自由”现象已被大量实验所证实。“渐近自由”的发现获得2004年Nobel奖。•低能下(3GeV)尚有待进一步实验检验，尤其是有许多重大问题亟待实验回答：22低能下如何描述强相互作用系统？自然界是否存在新型强子和新的物质形态？202米环周长：241米BES1-2.1GeV的正负电子对撞可以产生大量的粲偶素（J/，(2S)，cJ和(3770)等）、粲介子和t轻子。束流能量1.0-2.1GeV物理目标BES实验t-粲物理研究依托于大科学装置(BEPCII)/(BESIII)23BESIII/BEPCII（今年7月即将运行取数）BEPCII：设计亮度提高100倍BESIII:高性能探测器BESIII数据统计量与以往实验的比较24谱学研究是人类探索与认识微观世界自然规律的重要手段通过对原子光谱的研究获得原子结构的知识，从而奠定了原子物理基础,推动量子力学的建立和发展。通过对核谱的研究深入理解了原子核的内部结构对强子谱的研究则提供了大量强子内部结构的信息，推动了夸克模型的建立和量子色动力学的发展。HadronspectroscopyTheultimategoalofstudyingthehadronspectroscopyistolearnthedynamicsoftheconstituentinteractions.ThefailureofperturbativeexpansionforQCDinthelighthadronsector.ThereexistphenomenologicalapproachesandlatticeQCD(LQCD)calculations.TheLQCDhasexperienceddrasticimprovementsalongwiththefastdevelopmentofcomputingresources.Buttherestillexistalotoftechnicaldifficultiesinthesimulationofafullynon-perturbativeQCDprocess.Experimentaldatawillprovidenecessaryconstraintsontheparametersintroducedtothetheory.NewformsofhadronsHadronsconsistof2or3quarks：NaiveQuarkModel：QCDpredictsthenewformsofhadrons:•Multi-quarkstates：Numberofquarks＝4•Hybrids：qqg，qqqg…•Glueballs：gg，ggg…Meson（qq）Baryon（qqq）Maincontentsinthestudyofthehadronspectroscopy•Mesonspectrum（qq)•Newformsofhadrons（glueballs,hybridstates,multi-quarkstates）•Baryonsectrum(qqq)ConventionalmesonspectrumInthequarkmodelframework,theHamiltonianforacolor-singletqqsystemcanbewrittenas:WithanexplicitformofV(r),qqspectrumcanbeproduced.Spin-dependantforcesbetweenquarksresultinfineandhyperfinestructuresinthehadronspectroscopy.However,CQMisonlyaphenomenologicalmodel.It'snotderivedfromtheunderlyingtheoryofthestronginteraction---QuantumChromodynamics(QCD).HencetheCQMspectrumisnotnecessarilythesameasthephysicalspectruminQCD.Multi-quarkstates,glueballsandhybridshavebeensearchedforexperimentallyforaverylongtime,butnoneisestablished.TheobservationofthenewformsofhadronswillbeadirecttestofQCD.Thishasbeenoneoftheimportantphysicsgoalsformanyexperiments.J/decaysprovideidealLabforsearchsfornewformsofhadrons.GlueballspectrumGlueballsareboundstatesofatleast2or3gluonsinacolor-singletduetothenon-AbelianpropertyofQCDEarlyphenomenologiesfindratherlightmassesforthescalarglueballinapotentialmodel.OtherQCD-basedapproachesproducelargermassesforthescalarsuchasM=1.52GeVinaflux-tubemodelandM=1.5GeVinQCDsumrulecalculations.Inthelasttwentyyears,extensivenumericalstudieshavebeencarriedoutt