探尋超出標準模型的新粒子

關于探尋超出標準模型的新粒子2024/4/1512024/4/152標準模型微觀粒子之間的基本相互作用是：SU(3)色規(guī)范相互作用和SU(2)

U(1)電弱相互作用，他們分別具有確定的規(guī)律并且具有確定的對稱性。微觀物質由具有這些相互作用性質的61種粒子組成，它們是：光子、3種弱相互作用的中間玻色子、8種膠子、6種輕子、6種反輕子、18種夸克、18種反夸克、1種中性的Higgs粒子。這些粒子的存在是與這些相互作用密切相關的。第2頁,共20頁，2024年2月25日，星期天2024/4/153超出標準模型超出標準模型的可能途徑：1。存在新的還沒有觀察到的相互作用，這種相互作用可能在現(xiàn)有實驗范圍內還觀察不到它的顯著效應；2。微觀物質世界具有新的對稱性，這種對稱性現(xiàn)在還沒有被觀察到，很可能是一種已經破缺了的對稱性。第3頁,共20頁，2024年2月25日，星期天2024/4/154Higgs

粒子參與的相互作用如果Higgs粒子確實存在，雖然它可以參與和規(guī)范粒子的相互作用，但

Higgs

粒子的自作用，它和費米子的湯川相互作用，都已經超出標準模型的范圍。因此，和Higgs粒子參與的相互作用有關的物理是超出標準模型的物理。也就是說Higgs粒子參與的物理是超出標準模型的物理。第4頁,共20頁，2024年2月25日，星期天2024/4/155Higgs粒子作為相互作用的媒介粒子實現(xiàn)的物理過程是超出標準模型的物理過程。首先要找到Higgs粒子，才能觀測Higgs粒子參與的相互作用過程，探究與此相關的超出標準模型的物理。在最小標準模型中認為自然界中只存在一種中性的Higgs粒子，這個粒子的性質已經比較清楚了。一旦這種粒子被發(fā)現(xiàn)，就可以在此基礎上研究Higgs粒子作為相互作用的媒介粒子的物理過程。第5頁,共20頁，2024年2月25日，星期天2024/4/156但是Higgs粒子可以不只是一種中性的，有可能存在幾個中性的Higgs粒子，還可能有幾個帶電的Higgs粒子。如果找到的Higgs粒子不僅是中性的，還可以有帶電的，則Higgs粒子有關的物理將是一個豐富多彩的領域，這是一個與標準模型相近的超出標準模型的物理領域。如果存在不止一種Higgs粒子，它們的質量并不相同，它們的運動行為也不相同。很可能其中一個中性的Higgs粒子質量最低，其它的質量比它高，甚至高一個數量級。第6頁,共20頁，2024年2月25日，星期天2024/4/157多Higgs

粒子的情形幾種可能的多Higgs

粒子的情形：

H0,H’0,f0,f+,f-

H0,f0,f+,f-

H0,H’0,f0,f+,f-,f++,f--其中第一種情形中5種Higgs

粒子的質量沒有直接的限制和約束。后2種情形中H0

的質量較輕，其它的Higgs

粒子質量至少要比H0大一個量級。這些重Higgs

粒子質量很重，但衰變寬度很小，是窄寬度粒子，G/m~0.01，很小，這是有利于辨認的特征。第7頁,共20頁，2024年2月25日，星期天2024/4/158現(xiàn)在實驗上還沒有發(fā)現(xiàn)Higgs粒子，實驗給出中性Higgs粒子質量的下限為

m>114.4GeV,CL=95%.Higgs粒子是極不穩(wěn)定的粒子，它的衰變道很多，很難辨認。尋找Higgs粒子參與的物理過程是新物理的表現(xiàn)?？紤]到Higgs粒子的質量很大，實驗上尋找Higgs粒子，以及觀測Higgs粒子參與的過程，都需要很高能量的碰撞才能實現(xiàn)。在LHC上可以進行這些實驗。第8頁,共20頁，2024年2月25日，星期天2024/4/159新的弱相互作用如果電弱相互作用實際上不是SU(2)xU(1)規(guī)范相互作用，而是更高對稱性的規(guī)范相互作用，這就是引入了新的弱相互作用。過去研究得較多的幾種更高對稱性的情形是：

SU(2)LxU(1)xU(1)’,增Z’SU(2)LxSU(2)RxU(1),增W+R,W-R,ZRSU(3)xU(1).增5個重規(guī)范粒子新增加的規(guī)范粒子就是新的弱相互作用的媒介粒子。由于這些新增加的規(guī)范粒子比已知的W，Z重很多，在現(xiàn)在的能量范圍內，新的弱相互作用的效應被弱相互作用所掩蓋，導致新的弱相互作用一直沒有被發(fā)現(xiàn)。第9頁,共20頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1510如果有新的弱相互作用，就預言將存在并可以觀察到多個新的規(guī)范玻色子和多個新增加的Higgs粒子。但這些新的規(guī)范玻色子和Higgs粒子的質量都遠遠高于現(xiàn)在已經發(fā)現(xiàn)的Z粒子。在高能范圍有可能觀察到新的弱相互作用的顯著物理效應，也才有可能觀測到新的規(guī)范玻色子和新的Higgs粒子。估計在LHC上可以進行這些實驗。第10頁,共20頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1511新的強相互作用如果存在新的還沒有觀察到的相互作用，這種相互作用可能在現(xiàn)有實驗范圍內還觀察不到它的顯著效應。這種相互作用應該是一種比色作用更強的相互作用，并且應該是一種非常短程的相互作用?，F(xiàn)在已經發(fā)現(xiàn)的夸克、輕子都不能直接參與這種相互作用，至少在100GeV

能量以下范圍內不能參與這種相互作用。如果是規(guī)范相互作用，則這種相互作用是一種非Abel規(guī)范場，強耦合、短程。第11頁,共20頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1512

過去理論上提出的彩色（technicolor）相互作用就是這種相互作用。色相互作用只有在能量在GeV量級的碰撞中才能顯現(xiàn)出來，能參與色相互作用的粒子—夸克和膠子也才能在碰撞中產生和被觀察到?？梢灶A期，新的強相互作用只有在TeV量級或更高能量的碰撞中才能顯現(xiàn)出來，也只有在這能量下新的強相互作用的媒介粒子才能產生和被觀察到。第12頁,共20頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1513在GeV量級的碰撞中產生正反夸克對和膠子是以強子噴注的形式被觀測到的，夸克和反夸克表現(xiàn)為噴注，膠子則表現(xiàn)為一個胖噴注。類比之下，可以預期，在TeV量級的碰撞中產生具有新的強相互作用能力的新粒子和新的強相互作用的媒介粒子也將以某種形式的超噴注出現(xiàn)。期望在LHC的實驗中能觀測到。第13頁,共20頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1514超對稱性微觀物質世界具有新的對稱性，這種對稱性現(xiàn)在還沒有被觀察到，很可能是一種已經破缺了的對稱性?，F(xiàn)在研究得比較多的是超對稱性。如果微觀世界具有超對稱性，按照超對稱標準模型，所有的粒子，包括規(guī)范粒子，都有它的超對稱配偶。并且Higgs

粒子的數量也將大大增加。這樣微觀世界的粒子至少比標準模型中有的增加一倍。由于超對稱性在很高能量就已經破缺，所有這些超對稱配偶粒子可能都具有很重的質量，很可能都在100GeV以上。第14頁,共20頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1515按照最小超對稱標準模型，還應該存在的超對稱性配偶粒子有：光微子、6種帶電微子、6種中性微子、8種膠微子、6種標量輕子、6種標量反輕子、18種標量夸克、18種標量反夸克。它們都應有很重的質量，可以在高能碰撞中產生。這些配偶粒子的性質和運動行為都是已知的，并且它們可以互相轉化，很可能最輕的配偶粒子是穩(wěn)定的，如果是這樣，可能自然界存在很重的穩(wěn)定粒子。第15頁,共20頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1516宇宙線物理和宇宙學給出的啟示1972年云南宇宙線站觀測到一個長壽命的帶電重粒子C+，這個新的帶電重粒子的性質為：質量m>43GeV；壽命t>0.406x10-9sec.如果它不穩(wěn)定，可以衰變成中性的C0，C0

的質量m>42.7GeV。如果C+

和C0

確實存在，都不是標準模型要求存在的粒子，也不是標準模型粒子組成的復合粒子，都是超出標準模型的新粒子。第16頁,共20頁，2024年2月25日，星期天2024/4/15171979年Kolar金礦礦井實驗中觀察到一個“雙芯”事例，表現(xiàn)為兩個能量分別為100GeV和80GeV的簇射，它們之間的夾角是26度。如果這事例是來自一個重粒子的衰變，則這個重粒子的質量的下限是40.2GeV。如果這事例是來自一個粒子和核子的碰撞，不先驗地假定是由零質量的中微子引起的反應，則定出這個入射粒子質量的下限是35.8GeV。這實驗也表明可能有長壽命或穩(wěn)定的中的帶電的或中性的粒子存在，其質量也至少是質子的數十倍以上。第17頁,共20頁，2024年2月25日，星期天2024/4/15181980年巴西-日本組在超高能宇宙線實驗中觀測到“Centauro”事例，1984年帕米爾協(xié)作組也在超高能宇宙線觀測中觀測到“Centauro”事例。這種事例入射粒子能量很高，碰撞產生的次級粒子不多，能量很大，例如有一個事例中次級粒子能量和為7x1014eV。但是在次級粒子中沒有光子、p0

介子、h

介子。Centauro事例是很奇特的現(xiàn)象，不能用粒子物理和核物理中的各種碰撞模型來解釋，也很難以在標準模型的基礎上理解和解釋。第18頁,共20頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1519宇宙中存在大量暗物質，