Transcript Super flavor - 中国科学院高能物理研究所

Super Flavor Factory
超级味工厂
邢志忠 (高能所)
(一)
(二)
(三)
(四)
味历史与超级味工厂
标准模型与新物理
超级味工厂课题举例
总结与展望及其他
＠2010年全国高能物理会议, 南昌大学
Part A
“味”的来历
2
Flavor 一词最早由Harald Fritzsch与Murray Gell-Mann于
1971年在 Pasadena的Baskin-Robbins 冰激凌店引入物理学.
夸克味
轻子味
重味
轻味
Part A
3
夸克味
1919: Discovery of proton (E. Rutherford)
up and down
1932: Discovery of neutron (J. Chadwick)
up and down
1947: Discovery of Kaon (G. Rochester and C. Butler) strange
1960: The quark model (M. Gell-Mann, G. Zweig)
1963: The Cabibbo quark mixing (N. Cabibbo)
1964: Discovery of CP violation (J.W. Cronin and V.L. Fitch)
1970: The GIM mechanism (S. Glashow et al)
1973: The KM mechanism (M. Kobayshi and T. Maskawa)
1974: Discovery of charm (C.C. Ting, B. Richter)
1977: Discovery of bottom (L. Lederman et al)
1995: Discovery of top (F. Abe et al)
Part A
轻子味
4
1897: Discovery of electron (J.J. Thomson)
1928: Prediction of positron (P.A.M. Dirac)
1930: Postulation of neutrino (W. Pauli)
1932: Discovery of positron (C.D. Anderson)
1936: Discovery of muon (J.C. Street et al/C.D. Anderson et al)
1956: Discovery of electron anti-neutrino (C.L. Cowan et al)
1956: Postulation of neutrino oscillations (B. Pontecorvo)
1962: Discovery of muon neutrino (G. Danby et al)
1962: Postulation of neutrino flavor mixing (S. Sakata et al)
1975: Discovery of tau (M.L. Perl et al)
2000: Discovery of tau neutrino (K. Kodama et al)
Part A
萨尔马-邢定理
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1995年底,印度理论物理学家 Sarma 率先发现了带电轻子被
发现年份的 39-year gap 规律.
1975 + 39 = 2014
我本人的贡献: 把 2114 年纠正为 2014 年,使得可能的发现
提前了整整100 年! (可惜萨尔马已于1998年去世).
Part A
味物理
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历史暗示: 所有的玻色子都
发现于欧洲, 绝大部分费米
子都发现于美国. 所以LHC
极有可能看到Higgs粒子.
味物理的核心概念:
质量
味混合
CP破坏
味工厂: 海量产生某一类或几类轻子或夸克的
加速器, 研究味的各种性质与基本相互作用.
做精确测量
发现新物理
Part A
超级味工厂
超级味工厂: 最先进的正负电子对撞机.
极高的亮度:
不对称对撞: 产生除top之外的所有味.
对撞机设计: 最新理念, 束流能量可调.
束流的极化: 增大可研究的物理内容.
(Browder et al 09)
7
Part A
超级味工厂物理(1)
8
Bottom物理: Bu, Bd, Bs 以及 bottomonium 物理.
(4S)
精确测量各种Bu和Bd衰变过程, 稀有过程, CP破坏
效应, 寻找可能的新物理现象.
(5S)
Bs衰变过程, 稀
有过程, CP破坏
效应, 寻找可能
的新物理现象.
(3S)
检验轻子味守恒
及其普适性.
在共振峰处通过测量下列
衰变道限制暗物质或单态H
粒子?  invisible.
Part A
超级味工厂物理(2)
9
charm与tau物理: 很丰富的物理内容, 堪比BEPC-II的升级版.
(3770
)
and
(4140
)
charmonium 物理
Part A
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超级味工厂物理(3)
新物理: LHC的直接新物理信息, 或者低能标间接的新物理探索.
(Bevan 2006)
工业化
生产线
时代定位
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质量起源
物质-反物质
不对称
暗物质
宇宙起源
自然力的统一
新物理
中微子物理
暗能量
质子衰变
Part A
互补与特色
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进攻新物理阵地: 能量前沿(relativistic) + 亮度前沿(quantum).
超级味工厂
Gershon 08
Part A
举例
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历史上charm夸克与top夸克的直接发现与先前的精确测量互补.
GIM机制(1970): 引入charm.
Gaillard & Lee通过计算K0与
K0bar混合的质量差, 预言了
charm夸克的质量 (1974初).
十月革命 (1974秋): 丁肇中
与Richter直接发现了charm.
1986年ARGUS发现了很大的B0与B0bar混合效应, 由此可以推算
出top夸克质量应在170 GeV附近 (杜东生与赵志勇 1987). LEP精
确测量得到类似结果. 最后费米实验室于1995年直接发现了top.
Part B
标准模型
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从上世纪五十年代中期到七十年代初期不到二十年的时间内,
弱电标准模型和量子色动力学被逐步建立和完善起来.
其中的核心概念包括了宇称不守恒,规范对称性,对称性自发
破缺,可重整性,色禁闭与渐近自由,新轻子,新夸克,CP 对称
性破坏,等等.这一历史进程造就了10个诺贝尔物理学奖.
好几位诺贝尔奖得主是在攻读博士学位期间或者做博士后期
间完成了他们里程碑式的工作.此等盛世已如大江东去.
尽管标准模型半个世纪以来经受住了无数实验检验, 但是它
的若干方面仍然未被证实,若干方面相当不尽人意.
极为有趣的是,Weinberg 在1967年刚完成弱电标准模型的结
构性建设,Davis 在1968年就发现了太阳中微子反常.
Part B
结构与问题
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基本成分: 3代共6个夸克, 3代共6
个轻子,4种矢量规范粒子,1个标量
粒子(Higgs).
相互作用: 矢量规范粒子之间及其
与费米子之间的相互作用,Higgs与
矢量规范粒子的相互作用,Higgs与
费米子的Yukawa相互作用.
我们尚未看到Higgs粒子,尚没有验证Yukawa相互作用,尚无法
理解味结构及其众多参数,尚不清楚中微子的质量起源,等等.
很不满意之处:理论本身的自然性(Hierarchy Problem),无法
提供暗物质的候选者,无法解释可观测宇宙的物质与反物质不
对称现象,强相互作用的非微扰计算,强CP问题,等等.
Part B
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新物理(1)
来自中微子振荡的提示:轻子味破坏(LFV)---带电轻子的LFV.
最简单扩充标准模型,加
入中微子质量及混合,则
LFV过程被严重压低.
GIM机制
因此带电轻子的LFV过程
可以对新物理非常敏感.
解释中微子质量的各种seesaw机制在TeV能标可以导致一系列
可观测的LFV与LNV过程(Abada et al 2007).
在超级味工厂,轻子海量产生,其LFV或LNV衰变将被仔细研究.
Part B
新物理(2)
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夸克部分: TeV能标处的新物理既不可能完全是flavor-blind
[因为标准模型的Yukawa相互作用已然破坏味对称],也不可能
具有一般的味结构[否则将导致实验无法接受的FCNC过程].
最小味破坏(MFV)--新理论的味对称也只被标准模型的Yukawa
耦合所破坏(Chivukula,Georgi 1987, Hall,Randall 1990).
受限的最小味破坏(constrained MFV): 假设标准模型的场是
新理论仅有的轻自由度,理论只含有一个轻Higgs粒子,标准模
型的Yukawa耦合是夸克味破坏的唯一源(Buras et al 2001).
没有引入新的CP破坏效应.
非常多的研究文章被发表.
Part B
新物理(3)
超对称:四十年来理论家的梦想
超对称软破缺: 自由参数激增,
可导致若干可观测的FCNC过程.
最小超对称模型(MSSM):>124个
自由参数,其中味部分包含69个
实参数和41个相位(尚未计入中
微子质量与混合参数)!
超级味工厂 PK 超对称味问题?
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Part B
新物理(4)
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额外维空间: 也许一切皆有可能? 味物理模型尚未发展完善.
Part C
SFF的作为: 例(1)
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通过更精确地测量各种强子物理过程,并借助QCD的技术,更好
地确定5种夸克的质量值. 这对最终理解夸克味结构至关重要.
Part C
SFF的作为: 例(2)
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通过更精确地测量各种夸克衰变过程,并借助QCD的技术,更好
地确定CKM矩阵的参数值,并检验CKM幺正三角形的自恰性. 这
对最终理解夸克味结构也至关重要.
不局限于这一个三角形. 检验夸克质量模型对夸克混合的预言.
bottom
charm
Part C
SFF的作为: 例(3)
(5S)与Bs物理: 超级味工厂精度.
其他典型可观测量的精度
(Browder et al 09)
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Part C
SFF的作为: 例(4)
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Charm衰变过程中的CP破坏效应(标准:0.1%,非标准:>0.1%?).
Vud Vcd  Vus Vcs  Vub Vcb  0
Imaginary
 6si n
 6si n
 ~ 65
Vub Vcb / | Vud Vcd |  Vub Vcb / | Vus Vcs |  A2 4  2   2 e  i  5 e  i ~ 5  10 4 e  i
末态涉及K0-K0bar的过程, CP
破坏程度可达到0.3% (校准).
在Ψ(3770) 与Ψ(4140) 共振峰
Part C
SFF的作为: 例(5)
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轻子数破坏:     (最小超对称模型+3个右手中微子).
SFF敏感度
(Antusch et al 2006)
Part C
SFF的作为: 小结(1)
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超级味工厂中所期待的对新物理敏感的可观测量: 大约45个!
Part C
SFF的作为: 小结(2)
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超级味工厂中所期待的对新物理敏感的可观测量: 大约45个!
超级味工厂的精度一览
Part D
正负电子对撞机
c. m. Energy (GeV)
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Part D
味物理的可能未来…
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假如超对称被发现,国际直线对撞机ILC将不可
避免地成为一个超级超对称味工厂!
Cosmic Flavor Physics?
SSFF: ~500 GeV
费米能标
SFF: ~10 GeV
中微子工厂
Part D
综述性文献
30
2009
2010
2007
以及若干会议报告文件