宇宙之谜

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1 ( 中国 ) 高能物理展望 李亮上海交通大学物理与天文系

2 宇宙之谜

3 人类解答 : 透过现象看本质 微观 介观 宏观 极小 : 基本粒子 次小 : 质子, 中子原子, 原子核粒子 较小 : 分子 大分子 / 基因 人 人群 大尺度 : 星球 极大 : 星系 / 宇宙 高能物理 中高能物理核物理 原子物理等离子 凝聚态物理化学, 分子物理 生物学 医学 生理学 心理学 社会学 地质学, 天文学 宇宙学 3

4 极小与极大 : Reductionism Ernest Rutherford ( ) [Nobel Laureate in Chemistry, 1908] There is only one science, and it is physics; all the rest is stamp collecting. Steven Weinberg [Nobel Laureate in Physics, 1979] by reductionism, these things ultimately are the way they are because of the fundamental principles of physics. 4

5 微观解答一 元素周期表 氦 氖 物质由分子 原子构成原子由质子 中子 电子构成 u d u d u d 质子中子电子 质子 中子由夸克组成胶子把夸克 捆 在一起光子把原子 捆 在一起

6 微观解答二 引力 : 电磁力 : 10-2 统一 : 电弱相互作用力 强相互作用力 : 1 弱相互作用力 : 10-6 目前答案 物质由基本粒子夸克和轻子组成, 基本粒子间通过交换波色子来相互作用 夸克和轻子都有三个家族, 质量递增分布, 每个基本粒子都有其反粒子 交换介子为 : 无质量的光子 胶子, 有质量的 W/Z 粒子和未知的引力子 四大相互作用力 基本粒子尺度上考虑强相互作用和电弱相互作用, 宏观尺度上考虑引力成功但不完整答案 The most accurate theory ever developed, in any field 电子 g-2 实验测量结果和理论预测结果吻合到万亿分之一 (10-12 ) 6

7 基本粒子和标准模型 常见物质组成 New 7

8 基本粒子不能解决所有问题 物理规律是有层次的 Philip W. Anderson: [Nobel Laureate in Physics, 1977] More is different (1972) at each new level of complexity, entirely new properties appear, and the understanding of this behavior requires research as fundamental in its nature as any other. 并不是知道了底层的规律就解决了所有问题 多了就不一样了! 研究基本粒子解决的是最基本的科学问题! 8

9 基本的科学问题 是否还有更多 ( 三个家族以上 ) 基本粒子? 基本粒子之间是如何相互作用以形成现今的宇宙的? 质量 质量的来源是什么? 为什么基本粒子的质量相差这么大? 电荷 正物质和反物质是对称产生吗? 如果是, 那么为什么现在宇宙中正物质这么多? 相互作用 ( 大统一理论 GUT-Grand Unification Theory ) 引力靠什么传播? 为什么引力那么弱? 理论的自然性? 为什么 96% 宇宙物质都不可见? 何谓暗物质? 何谓暗能量? 从已知到未知 : 研究现有基本粒子并探寻未知新粒子新物理 9

10 基本的科学方法 加速器物理 非加速器物理 基本方法 : 做实验 物理是一门实验科学 能量前沿 对撞机物理 亮度前沿 非对撞机物理 中微子物理, 核物理 天文前沿 天文望远镜 暗物质和暗能量探测 对撞机 基本粒子特性 暗物质实验 10

11 基本粒子和诺贝尔物理学奖 Sheldon Glashow Abdus Salam Steven Weinberg Gerard 't HooftMartinus Veltman David Gross David PolitzerFrank Wilczek Burt RichterSam Ting c vc v v Carlo Rubbia Simon van der Meer

12 对撞机物理 粒子物理是物理学乃至自然科学中的前沿科学 探索宇宙的本源以及物质的最深处 百年历史诞生数十位诺贝尔物理奖获得者 标准模型每个粒子均有诺贝尔奖诞生 Zoo of Noble Prize! 对撞机物理是高能物理的至关重要分支 人造的可控的实验环境提供最佳的实验发现机遇 最近几次粒子物理的诺贝尔奖获得者大多和对撞机物理有关 : Higgs discovery! 对撞机以及非对撞机物理密切相关, 互补关系 希格斯粒子 超对称模型和新物理的探寻 暗物质 中微子物理 对撞机物理方兴未艾 现有对撞机的升级和改造 下一代对撞机和加速器的研发 : ILC/CEPC/SPPC 亮度和能量前沿齐头并进! E=MC 2, 能量越高质量越大能量越高尺度越小 =ћ/p

13 费米实验室 (Fermilab) Tevatron: 4 英里公里环形圈, 史上第一个万亿电子伏特能级对撞机 (2TeV) 1995 年 3 月发现顶夸克!2009 年 3 月发现单顶夸克!

14 欧洲核子能中心 (CERN) ATLAS CERN CERN ALICE LHCb CMS LHC: 27 公里环形圈 km, 史上最强对撞机, 史上最高能量对撞机 (14TeV) (14TeV) 2012 年 7 月发现希格斯粒子!

15 加速器物理 Accelerator -based 非加速器物理 Nonaccelerator -based 中国粒子物理实验规划 亮度前沿 Precision frontier 能量前沿 Energy frontier 地下实验 Underground 地表实验 Surface 空间实验 Space 现在 Current 北京谱仪 BESIII 国际合作项目 (International projects): 缪子 g-2 Belle II PANDA COMET 大型强子对撞机 LHC 大亚湾中微子实验 Daya Bay 四川锦屏地下暗物质实验 PandaX,CEDX Majorana 中微子搜索 EXO 西藏羊八井宇宙线实验 ARGO/ASg 阿尔法磁谱仪 AMS 硬 X 射线调制望远镜卫星 HXMT 暗物质粒子探测卫星 DAMPE 未来 Future 环形正负电子对撞机 超级质子对撞机 CEPC SppC 国际直线对撞机 ILC 江门中微子实验 JUNO 锦屏暗物质实验二期 PandaX2. CEDX2 nexo 高海拔宇宙线观测站 LHASSO 高能宇宙辐射探测设施 HERD X 射线天文望远镜 XTP

16 对撞能量 E=MC 2, 1 GeV = 1,000,000,000 电子伏 相当于 10 亿个电池串联, 1TeV ( 万亿电子伏特 ) 是 GeV 能量的一千倍 能量越高则可供产生的粒子种类越多! 宇宙射线能量从 10MeV 至 10GeV 不等, 个别极高能量可达 1000TeV 费米实验室加速器物理能量升级过程 : 万亿伏特对撞机 Tevatron 1968 年开始 1972 年 200GeV 1976 年 500 GeV 1983 年 900GeV 2001 年 980GeV 总共 1.96TeV 世界最高能量质子和反质子对撞机, 1995 年发现顶夸克, 2009 年发现单顶夸克! 16

17 加速器 ( 电源 )

18 分布加速 (CERN Accelerator)

19 LHC: 质子 - 质子对撞 为什么要对撞如此频繁? 寻找感兴趣的物理过程 : Higgs ZZ* 4l 通过对撞产生几率为 10 万亿分之一

20 对撞事件 (Collision Event)

21 探测器 ( 高精度照相机 100M MP ) 缪介子探测器 : 缪介子的动量和轨迹测定 强子量能器 : 粒子流, 中微子或其它能量损失的测定 电磁量能器 : 电子, 光子的测定 轨迹探测器 : 带电粒子的动量和轨迹碰撞定点的标定

22 对撞事件 ( 相片 ) 夸克对 单顶夸克 费曼图 Future High Energy Physics in China, L. Li (SJTU) 22 August 11, 2015

23 宇宙一直处于不可逆的演化过程中 新奇粒子的海洋一去不复返 如何反转时间箭头? 通过模拟宇宙大爆炸初期的能量环境探索宇宙诞生以及演化的奥秘 4x x10 seconds -13 秒

24 探索基本粒子质量的起源 Higgs 玻色子用来解释基本粒子的质量来源, 是粒子物理标准模型中最后被发现的关键粒子, 常被媒体称为 上帝 粒子 寻找 Higgs 玻色子是大型国际高能对撞机实验 ( LEP, Tevatron, LHC) 的主要物理目标之一

25 希格斯机制 (Higgs Mechanism,1964) J. J. Sakurai Prize for Theoretical Particle Physics (2011) Peter W. Higgs Phys. Lett. 12 ( ) 132 PRL 13 ( ) 508 F. Englert, R. Brout PRL 13 ( ) 321 G.S. Guralnik, C.R. Hagen and T.W.B. Kibble, PRL 13 ( )

26 质量来源 : 希格斯机制 对称性自发破缺 Goldstone Boson ( 无质量 ) 被规范玻色子吸收 Massive Gauge Boson 黑格斯粒子 ( 有质量 ) 质量和电荷一样是粒子的一种属性 不同粒子质量来自于和希格斯场的相互作用 质量与引力相关 ( 好比电荷与电磁力相关 ) 不同之处在于只有正质量没有负质量 ( 因为没有 排斥 引力 ) 希格斯粒子是真空的物理激发态其他三个零能激发态被规范波色子吸收 : W, Z 26

27 质量来源 : 希格斯机制 吊丝 : 默默无闻轻松潜伏质量轻! 高富帅 : 众人围观寸步难行质量重!

28 寻找希格斯粒子 从产生到衰变 Higgs 粒子的产生需要较高能量, 是稀有事件 在 个 事件 中大约能有一个 Higgs 粒子产生 还有大量其它事件也产生类似的衰变产物 ( 背景 )

29 复杂背景 (Pileup) 大量复杂的背景事件对实验探测 对撞事件重建以及粒子鉴别等实验数据分析过程都提出了重大挑战! H ZZ 4

30 希格斯粒子存在的证据 H 通过对比实际观测数据 ( Data ) 和理论预测结果 看是与有 Higgs( 红色 ) 还是与没有 Higgs( 黄绿色 ) 更加符合 利用统计工具进行定量分析判断 : 区分细微差别, 还要考虑到测量误差!

31 希格斯粒子存在的证据 H H WW H ZZ Br Br SM

32 希格斯粒子的发现 Significance 6.0 (exp 5.0 ) M H =126.0±0.4±0.4 GeV Significance 5.1 (exp 5.2 ) M H =125.3±0.4±0.5 GeV 测量的可信度 (Significance) 由正态分布标准方差 表示,3 sigma ~ 99.7% 国际上宣布 发现 结果的可信度标杆是 5 sigma ~ % 2012 ICHEP 大会上 ATLAS 和 CMS 公布独立发现希格斯粒子! 初步结果得到了后续实验数据的进一步确认

33 希格斯粒子的发现 Signal strength ATLAS : = Signal strength CMS: = 1.00 ±0.14 Signal significance: > 10

34 希格斯粒子的发现 Phys. Lett. B 716 (2012) 1-29 (ATLAS) Phys. Lett. B 716 (2012) (CMS) /

35 News on the Higgs discovery are all over the world. 35

36 标准模型预言的希格斯粒子 ATLAS 和 CMS 实验结果表明目前找到的希格斯粒子的已知性质正如标准模型所预言 : 自旋为 0 且宇称为偶 ATLAS 耦合强度 : 希格斯对波色子的耦合强度测量精度 10% 希格斯对费米子对耦合强度不为 0 (>5σ) 更多反应道 VBF production > 5σ (ATLAS+CMS) tth ~ 4σ (<2σ expected) CMS Mass ± 0.37(stat) ± 0.18(syst) (stat) (syst) Data favors 0 + vs Spin % CL 99.8% CL Spin % CL 99.9% CL Spin % CL 99.4% CL (100%gg)

37 希格斯机制获 2013 年诺贝尔物理奖 The Nobel Prize in Physics 2013 was awarded jointly to Fran çois Englert and Peter W. Higgs for the theoretical discovery of a mechanism that contributes to our understanding of the origin of mass of subatomic particles, and which recently was confirmed through the discovery of the predicted fundamental particle, by the ATLAS and CMS experiments at CERN s Large Hadron Collider 中国组在探测器建造和希格斯粒子的发现中做出了重要贡献 ATLAS 实验组 : 高能所 科大 南大 山大 上海交通大学 CMS 实验组 : 高能所 北大

38 希格斯粒子发现之后

39 奇特的希格斯粒子 : 成功和挑战 希格斯粒子非一般基本粒子 它与所有基本粒子都有相互耦合作用 (Coupling), 其相互作用大小决定了其他粒子的质量大小 所有其他基本粒子的自旋均为 1( 波色子 ) 或 1/2( 费米子 ) 希格斯粒子的自旋为 0 不仅是新的基本粒子, 而且是新的类型! 物理学史上第一次有了从低到高能级甚至超高能级都适用的自洽理论 标准模型理论的自然性疑难更加亟待解决 希格斯粒子的发现是物理学最近半个世界最重要的发现之一 开辟了一个新时代 希格斯粒子就是新物理 : 希格斯粒子在被发现以后仍然充满了未知 耦合作用强度? 自旋为 0? 真空不稳定性? 对宇宙演化过程影响? 中微子相关 : 微小质量来源? 与 Higgs 作用? 暗物质相关 : Higgs portal?

40 理论疑难 : 自然性问题 GeV 大统一 If SM valid up to GUT scale, the theory has extreme fine-tuning! 100 GeV 参数 2 /52 在地球上拿枪瞄准月球上的一只兔子 1 TeV 100 GeV [Slide from J.-M. Yang] 应当存在新物理 标准模型 在光滑的镜面上竖立起一根很尖的针 类比 :1693 年, 牛顿回答 引力定律怎样跟静态宇宙自洽 : As hard as to make the sharpest needle stand upright on its point upon a looking-glass This unnatural state of affairs could be set by a divine power.

41 超对称理论 每个已知粒子都有一个 超对称 伙伴 新粒子和已知粒子都可以用统一理论描述 统一自然界所有力和所有粒子, 解释宇宙演化过程以及暗物质 ( 隐藏的 超对称粒子 ) 理论上很有吸引力, 没有自然性问题, 但尚缺乏实验证据 有可能这些粒子都很 重 或者难以被探测到

42 超对称理论为何自然? 与电子和反电子做类比, 任何基本粒子也存在相对的超对称粒子, 因为两个粒子对质量修正的抵消作用, 自然而然 的使得物理规律在普朗克尺度下皆适用

43 探索物质最深层次的结构 所谓基本粒子可能是多维空间下 ( 做周期性运动的 ) 弦 多维空间仅在宇宙诞生初期或者能量极高时可以观测到 高能量对撞机将有助于探索物质最深层次的结构

44

45 后希格斯时代 希格斯工厂 质子质子对撞机 : 能量高, 发现新粒子能力强, 但有大量强子本底, 难以作精密测量 LHC( 大型强子对撞机 )@ 14 TeV, 300 fb -1 HL-LHC( 高亮度 14 TeV, 3000 fb -1 HE-LHC( 高能量 33 TeV(27km, CERN) SPPC( 超级质子对撞机 )@ TeV (50-70km, 中国 ) 正负电子对撞机 : 能量低, 低本底, 精密测量 ILC ( 国际直线对撞机, 日本 250/500/1000 GeV FCC( 未来环形对撞机,CERN, 欧洲 )@250/350 GeV CEPC( 环形对撞机, 中国 250 GeV

46 CEPC + SPPC CEPC: Circular Electron-Positron Collider SPPC: Super Proton-Proton Collider

47 世界经济实力对比 US EU China Japan

48 世界对撞机尺度对比 CEPC-SppC LHC ILC Tevatron KEKB BEPC 48

49 环形正负电子对撞机 (CEPC) - 超级质子质子对撞机 (SPPC) 项目正式启动 2013 年 9 月 13 日在北京召开启动会, 成立 Institutional Board (IB), 项目执行委员会 (Steering Committee), 项目经理, 理论 实验和加速器组召集人 2013 年 12 月 17 日成立高能物理前沿研究中心 (Center for Future High Energy Physics), 聘 Princeton 大学教授 Nima Arkani-Hamed 任中心主任 CEPC 初步时间表 : 2015 年 : 项目黄皮书 (pre-cdr/cdr) 2015 年争取纳入到十三五规划里 年 : 预研项目建议书 (TDR) 年 : 开始 CEPC 工程建设 年 : 开始 CEPC 运行取数 年 :SPPC 启动工程建设 CEPC 造价估计 : 亿人民币, 分 7 年建造, 约占 2013 年中国 GDP(57 万亿 ) 的万分之 BEPC 造价 2.5 亿, 占中国当年 (1984) GDP 的万分之一 - LHC 造价 100 亿美元占欧洲的万分之三

50 非对撞物理 : 深入研究基本粒子 基本问题 宏观 : 宇宙的起源是什么? 物质的组成是什么? 微观 : 何谓基本粒子? 基本粒子的物理特性是什么? 基本物理量联系宏观微观两个世界, 探索深层次问题的要点所在 质量 质量的来源是什么? 黑格斯粒子 电荷 正物质和反物质是对称产生吗? 宇称不守恒 自旋 LHC 实验 中微子实验 微观世界唯一独有的物理量, 对自旋的研究充分揭示微观世界的奇妙之处, 探测量子世界的基本物理定律! g-2 实验

51 什么是 g-2? 为什么要测量它? 通过精确测量粒子的自旋磁矩来深入研究自旋 粒子结构 质量和磁矩之间的复杂关系! 以小见大, 牵一发而动全身! 基本粒子在垂直磁场中旋转并产生进动 g 代表旋磁比因子 微观世界的舞蹈 : 缪介子反常磁矩 (g-2) g-2 代表 反常磁矩 ( 自旋磁矩和轨道磁矩的差值 ) 对于大多数基本点粒子, g=2, g-2 0 与理论值不符的反常磁矩意味着基本粒子不基本或是发现新粒子和新理论, 这将是具有重大科学意义的轰动性成果! 缪介子是最佳候选实验对象 质量大, 灵敏度高且数据量丰富 实验成本不高, 小投入高产出 g-2 实验为美国费米实验室旗舰项目 e - e +ee + e + e -

52 新物理的实验新证据 耦合系数 暗光子 A 质量轻的新型波色子, 与普通光子和带电粒子相互间有耦合 可作为暗物质的成员之一并负责传递暗物质 未知粒子间新的相互作用力 其发现将具有划时代的物理意义, 打开暗物质界 (Dark Sector) 的大门 暗光子质量 [MeV] 暗光子可完美解释缪子的反常磁矩以及其他一系列新物理的最新实验研究发现 : (g- 2) muon, PAMELA, FERMI, AMS 通过对 (g-2) muon 的精确测量, 将对暗光子和暗物质的寻找指明方向并提供可靠的实验依据 52 52

53 在希望的田野上 e - 世界上最精确的缪子磁旋比的测量 精度达 ~0.1ppm (10-7 量级 ) 寻找新物理现象 : 前期实验结果和理论值有 > 3 sigma 的误差 新粒子? 新理论? 实验和理论相互推动, 螺旋式进化 近期粒子物理实验最主要方向之一 亮度前沿 轻子内部结构? 轻子转换? 暗光子? 缪子对撞机?

54 暗物质 我们所了解的普通物质只占宇宙总体不到 5%! 暗物质不参与 电磁相互作用, 但有 引力作用 暗能量表现为让宇宙加速膨胀的 斥力

55 暗物质存在的证据 1976 年, 美国天文学家 Vera Rubin 测量了螺旋状星系的旋转曲线, 发现和由发光星体引力所预期的结果不一致 三角座星系, 距地球约 300 万光年 星系中也存在大量的暗物质, 而且延伸到大大超出发光星核的范围

56 暗物质存在的证据 引力透镜 效应是现代观测暗物质的主要手段

57 暗物质存在的证据 发光物质部分 暗物质部分 子弹星系团 显示了两个星系团碰撞以后暗物质和发光物质的形状分布

58 暗物质的景象

59 对暗物质所知甚少 Mass? Interaction with Standard Model particles Weak interaction or no? Spin-dependent? Iso-spin dependent? Elastic or inelastic scattering? Connection to new physics SuperSymmetry? Extra dimension? Dark sector?

60 直接探测 暗物质探测 对撞探测 对撞探测信号

61 暗物质直接探测

62 2400m E xperim ent H all A ccess Tunnel 2400 m

63 暗物质直接探测的背景 The main challenge for these experiments is to suppress the background. cosmic ray radioactivity

64 暗物质直接探测的背景 每天约有 个暗物质粒子 ( 每个有 100 个质子质量 ) 穿过人的身体 理论预测 : 发生碰撞次数 <1 次 自然界到处都是放射性粒子人体每天受到 100 万次宇宙射线辐射 一个香蕉 : 每天放出 10 万个伽马射线

65 Noble liquids: Single phase measures only scintillation light. Two phase measures both scintillation/ionization. WIMPs/Neutro ns 暗物质直接探测 : 两相液氙法 Top PMT Array S2 nuclear recoil Gammas S1 electron recoil

66 暗物质直接探测 :PandaX-I 实验结果 未观测到暗物质对低暗物质质量有强约束 PandaX-I 125kg 液氙 PandaX-II 500kg 液氙

67 暗物质直接探测前景 US Snowmass CF1 summary for WIMP dark matter direct detection (arxiv: )

68 上海交大高能实验组 对撞机方向 保持 LHC 研究热度 :Higgs 的量子属性 寻找 SUSY 暗物质粒子 积极参与中国 CEPC-SPPC 预研 : Higgs 以及新物理信号产生 模拟 重建和分析 电磁量能器和强子量能器的预研, 模拟, 材料选型 尺寸和性能的优化等 暗物质方向 境屏山 PandaX 项目持续推进 : 将来升级到 500 公斤液氙甚至更高 积极推动其他途径多方面探测暗物质信号 : 对撞机 缪子 g-2 亮度前沿方向 加大现有投入和升级 : 缪子 g-2 中微子实验等 紧抓下一代高能物理实验方向 : 轻子转换实验 稀有衰变实验 广泛的国内外合作研究 联合培养机会欢迎到上海交大学习和工作! 感兴趣的同学请联系我 liangliphy@sjtu.edu.cn

69

70 测量的可信度 正态分布 : 也叫 高斯分布 自然界中最常见统计分布随机误差分布服从正态分布 sigma( ) 是正态分布的标准方差 与中心值 ( 假定没有信号 ) 偏离一个标准方差之内的分布几率是 68.2% 3 sigma ~ 99.7% 发现 Higgs 的机率为 5 sigma ~ % ( 最新结果是 9.9 ) 国际上宣布 发现 结果的可信度标杆是 5 sigma

71 超对称粒子 : 三重轻子末态 muons 与寻找 Higgs 类似的方法 在海量数据中找到感兴趣的事件 排除背景干扰 目前还没有足够证据 反之, 如果有足够多的数据量但是仍然没有信号, 那么可以排除该 超对称粒子 的存在 ( 仍不能排除其他超对称粒子的存在 ) neutrino electron

72 Why e + e - Higgs Factory Precise verify the SM- searching for possible new physics, Higgs couplings must be measured to better than a few % to reveal TeV scale new physics. LHC: high productivity, huge backgrounds and systematics, ultimate precision in Higgs coupling limited to 10-20%. e + e - machine: low background trigger-less mode, well known ISR, allow to measure and BR separately via Z recoil to tag Higgs events.

73 未来的 宇宙对撞机 Prof. Nima Arkani-Hamed

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