夸克禁闭和渐近自由 中国科大(2009.09.11) 黄 涛 (中科院高能所)

美《科学》杂志评出08年十大科学进展 在对细胞重新编程“定制”细胞系方面，开启了一个生物学研究新领域。 第一次直接观测到了太阳系外围绕其他恒星运转的行星。 癌症基因名单扩充。 发现了一类全新的以铁化合物为基础的高温超导材料 。 看”到了蛋白质如何与目标结合，然后转换细胞的代谢状态，起到促成某一组织特性的作用。 发现了一种有应前景的新工具，能够把风能、太阳能发电等所产生的过剩电能进行规模化存储，迈向可再生能源。 胚胎视频：研究人员对发育中的胚胎内部细胞进行了史无前例的细致观察。 研究发现“好脂肪”工作过程，他们可以将“好脂肪”转变为肌肉，反之亦然。 计算物质世界的重量：物理学家最新的计算数据表明，标准模型非常准确地预测了质子和中子的质量。 更快、更廉价的基因组测序

2008年度诺贝尔物理学奖 南部阳一郎(1921年生) 小林诚(1944年生) 益川敏英(1940年生)

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深层次物质结构两大特点 量子色动力学理论—强相互作用基本理论。夸克和胶子及其相互作用的理论 夸克禁闭 渐近自由

内容 一. 夸克模型和三代夸克 二. 渐近自由--量子色动力学理论 三. 渐近自由的实验验证 四. 夸克禁闭难题 五. 展望

一. 夸克模型和三代夸克 六十年代 发现了大量强子态， 1960 反Σ粒子发现, 王淦昌等。 1961 SU(3) 八重态方案，对称性分类。 1960 反Σ粒子发现, 王淦昌等。 1961 SU(3) 八重态方案，对称性分类。 Neeman,Gell-Mann 1964 Ω-发现 1964年 Gell-Mann提出Quark model。 1965-66 层子模型(相对论性)。

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质量公式预言 m- 1670 MeV 实验 m- 1672.45 0.29 MeV s s K0(ds) K+(us) K*0 K*+  +(ud) + 0 0 -(u d)  I3 - I3  K-(su) K0(sd) K*- K*0 自旋为0 自旋为1 uu-dd 0 = 2 (sss) △0 △- △+ △++ 0 *- *+ (ddd) (udd) (uud) (uuu) (dds) (uds) (uus) *- *0 (uss) (dss) - s I3 n(udd) p(uud) -(dds) 0 (uds) 0 + (uus) -(dss) 0(uss) 质量公式预言 m- 1670 MeV 实验 m- 1672.45 0.29 MeV

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线性势+库仑势 线性势夸克禁闭

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1973年Kobayashi-Maskawa在日本学术刊物”理论物理进展”（Progress of Theoretical Physics）发文指出如果自然界中还存在（至少）第三代夸克(顶夸克t和底夸克b )，微观粒子系统中的CP破坏现象就可以得到解释。从而预言了底夸克b和顶夸克t的存在并为实验所证实。他们还认识到B介子(包含b夸克的介子)有可能是研究CP对称性破坏的最理想的场所。发现对称性破缺的来源并预言了自然界至少存在三代夸克。 1977年发现了b夸克，1995年发现了t夸克。

三代费米子 轻子 夸克 u c t e   d s b e   一直到1995年，费米实验室发现顶夸克 总共发现了三代夸克、三代轻子(48)。 在它们之间传递相互作用的是规范玻色子(12) 轻子 夸克

九十年代末美国和日本化巨资建造了B介子工厂就是为了寻找在B介子中CP不守恒现象。此后几年来两个B介子工厂的实验(美国的BaBar和日本的Belle)证实了他们提出的CKM矩阵（KM是 Kobayashi-Maskawa的缩写，C是意大利科学家Nicola Cabibbo的代称）。 B-factorySuper-B factory(Japan)

“基本” 粒子 u c t s d b ne nm nt e m t 电荷 +2/3 夸克 ( q ) -1/3 轻子 ( l ) -1 从轻到重 电荷 +2/3 u c t 夸克 ( q ) s -1/3 d b ne nm nt 轻子 ( l ) e -1 m t 18

mu=1.5-4.5 MeV md=5-8.5 MeV ms=80-155 MeV mc=1.0-1.4 GeV mb=4.0-4.5 GeV mt=174GeV 19

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物质结构的层次 原子→原子核物理→粒子物理(高能物理) 粒子物理就是研究物质结构的最小组成成份(夸克、轻子)及其基本相互作用(电磁、弱、强相互作用)规律的科学。

二.渐近自由--量子色动力学理论(Quantum Chromodynamics (QCD)) 色自由度引入 1972 color Gell-Mann 1964 Greenberg Para统计 1965-66 层子模型 22

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2 - 5 GeV 强子 R 值测量 R/R(%) BES前: 15-20 BES(total): 6.6 3770 4040 4160 4415 R/R(%) BES前: 15-20 BES(total): 6.6

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1967-1968 深度非弹中的scaling渐近自由。 Friedman,Kendall,Taylor 1990 Nobel Prize Quark-parton model Feynman, Bjorken, … 27

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这样，电子和质子内的点Parton相互作用发生弹性散射就成为电子－质子深度非弹散射的基本过程。 实验上的Scaling现象告诉我们，如果电子－质子的非弹散射是由于电子与质子内部的许多类点成分发生不相干的弹性散射所引起的，那么Scaling现象就自然发生。人们将这些类点组成分称为部分子(Parton)。 这样，电子和质子内的点Parton相互作用发生弹性散射就成为电子－质子深度非弹散射的基本过程。 quark-parton model 那些自旋为1/2的部分子(点粒子)就是所有的价夸克和海夸克。 31

量子色动力学理论 (非阿贝尔规范场) 32

反屏蔽 33

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1973年 Gross-Wilczek，Politzer奠定了量子色动力学理论基础。证明了非阿贝尔规范场的渐近自由性质。 35 35 35

屏蔽 36

Loop Corrections 37

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QCD exclusive processes 三. 渐近自由的实验验证 主要是微扰QCD在高能区域的应用。 QCD exclusive processes 39

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Altarelli-Parisi evolution equation 48

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四. 夸克禁闭难题 在夸克模型成功建立的同时，科学家们也为实验上寻找不到自由夸克而困惑。前五种夸克(u、d、s、c、b)只存在于强子束缚态中，而最重的顶夸克 t 产生以后寿命极短，很快衰变为底夸克 b。物质结构在新层次下的物理图像与先前原子、原子核的层次完全不一样，已不是太阳系在微观世界的重复。这表明支配下一层次的新的物理规律决定了不同的物理图像和观念。

核力 *1947年发现了pion介子、核力。 Powell was awarded the 1950 Nobel Physics Prize for his development of the emulsion technique and for the discovery of the pion。 *1948 加速器第一次产生Pion 介子。 * g^2/4π=15>>1 55

量子色动力学的渐近自由特点致使微扰理论得到了巨大的成功，然而微扰理论仅在高动量迁移下的物理过程中可以得到应用，对于低动量迁移的物理现象和强子结构，它无能为力。在量子色动力学框架里，虽然可定性地解释了夸克囚禁在强子内部的结构图像，但是要想定量地解释夸克囚禁疑难和强子结构图像仍是高能物理中一个重大的难题。

微扰量子色动力学理论是建立在微扰真空的基础上，而量子色动力学物理真空完全不同于微扰真空。在物理真空中真空不空，它充满着夸克、反夸克对以及胶子，物质与真空中的夸克、反夸克对和胶子不断发生相互作用造成新的强子结构图像。因此揭示真空的本质将导致找到夸克囚禁疑难解。

非微扰QCD  QCD 真空夸克禁闭 #新强了态:胶球、多夸克态、混杂态 #QCD相变: 相跃迁(禁闭退禁闭相) #QCD中强子结构动力学(强子波函数) 58

对称性破缺的本质可能来自于真空的不对称性产生真空对称性自发破缺机制；夸克囚禁可能是量子色动力学物理真空造成的。两者都很可能从真空中得到破解，因此关键在于揭示真空的物质本质。真空不是虚无，而是由自然界物质间相互作用决定了的物理真空。

欧洲核子中心的新对撞机LHC和未来的正负电子直线对撞机的探测能力都能达到1 TeV范围。 相对论重离子对撞机(RHIC)，就是在极端条件下将夸克和胶子从质子和中子中解放出来，也就是实现从夸克的禁闭相到退禁闭相的跃迁。 欧洲核子中心的新对撞机LHC和未来的正负电子直线对撞机的探测能力都能达到1 TeV范围。

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Lattice Gauge Theory--非微扰理论 K.Wilson

For the first time, the lattice results appear on Sciences Light hadron spectrum on the lattice For the first time, the lattice results appear on Sciences

LQCD verifies naïve prediction that glueballs should exist: Spectrum from quenched LQCD 66

一个普遍的看法是认为夸克囚禁是由量子色动力学物理真空性质造成的。微扰量子色动力学理论是建立在微扰真空的基础上，而量子色动力学物理真空完全不同于微扰真空。在物理真空中真空不空，它充满着夸克、反夸克对以及胶子，物质与真空中的夸克、反夸克对和胶子不断发生相互作用造成新的强子结构图像。因此揭示真空本质将导致找到夸克囚禁疑难解。 67

关键在于揭示真空的物质本质。真空不是虚无，是由自然界物质间相互作用决定了的物理真空。为此，20世纪末已在美国布鲁克海文实验室建成一个相对论重离子对撞机(RHIC)，就是在极端条件下将夸克和胶子从质子和中子中解放出来，也就是实现从夸克的禁闭相到退禁闭相的跃迁。 68

五. 展望 两大科学难题： 对称性破缺的本质和夸克囚禁。 揭示它们的本质并寻找解决两大难题的途径将是物理学家在进入21世纪以后面临的艰巨任务，这很可能导致物理学中新的动力学规律的诞生并影响21世纪科学技术的发展。

20世纪末和21世纪初建成的高能加速器都是与解决这两大难题相关的。概括起来说，探索物质结构正向两方向发展：一是向超高能量发展，例如西欧中心的LHC和美国的RHIC；二是向高精度发展，例如美国和日本的B介子工厂、意大利的介子工厂，－粲工厂等。这两大方向的发展相辅相成，目标在于深入研究现今这一层次的夸克、轻子以及相互作用的运动规律 70

高精度 美国、日本B工厂Super-B 高亮度Tau-Charm (Tau-Charm factory)

北京正负电子对撞机（BEPC）鸟瞰图

BEPC --->BEPCII BEPCII / BESIII亮度增加两个数量级。 τ粲物理研究高精度测量前沿：高统计性和小系统误差的测量，精确检验标准模型，探索超越标准模型的新物理现象。 BEPC 对该能区物理有独特优势:J／ 和′共振峰截面大，阈值区域本底小，是B工厂无法替代的，对QCD的发展，包括微扰QCD和非微扰QCD及其过渡区域十分重要，同时能探索新物理现象。 精确测量的研究要求: 高统计事例→高亮度加速器+高性能探测器 小系统误差→高性能探测器 BEPCII / BESIII亮度增加两个数量级。 73

各种唯象模型 potential model,bag model… Chiral perturbation theory: *微扰QCD方法的进一步发展。 高阶修正 Subleading求和技巧 高twist贡献 高Fock states贡献 *非微扰问题(真空、禁闭、相变) Lattice理论 1974 K.Wilson QCD求和规则 1979 SVZ 各种唯象模型 potential model,bag model… Chiral perturbation theory: 1984 Gasser-Leutwyler Effective L theory 1979 Weinberg 74 74 74

高能量前沿 近20年来粒子物理中的一个令人不解的谜－黑格斯粒子在哪里？如果黑格斯粒子不存在，那么对称性破缺的机制是什么？在西欧中心正在建造的大型强子对撞机(LHC)。以几十亿美元、历时10年的投资，其物理目标之一就是要回答对称性破缺的本质这一疑难。

Large Hadron Collider @ CERN 2009年运行 欧洲核子中心LEP/LHC储存环直径 9 公里！ 2009-6-24 76

来自８０多个国家和地区的约７０００名科学家和工程师参与了大型强子对撞机的建设。中国近10所科研院所和高校的科研人员参加了大型强子对撞机上所有４个大实验的大型探测器的建造。

对称性破缺的本质是什么？ 1956年，李政道、杨振宁首先提出宇称(左右)对称性在弱相互作用下是破缺的，即宇称不守恒规律。这就打破了人们在历史上一贯认为的运动中对称性守恒是基本规律。1964年人们又发现宇称和电荷共轭联合也是破缺的。因此，人们逐渐认识到对称性破缺才是自然界中的基本规律。 2008年Nobel奨 Nambu-Kabayashi-Maskawa

弱、电统一理论 Non-Abelian Gauge Theory Spontanteous symmetry breaking Higgs mechanism t’ Hooft&Veltman’s renormalizable proof Glashow-Salam-Weinberg model 1973 中性流 1979 Nobel Price 79 79 79

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南部提出自发对称性破缺理论在建立粒子物理标准模型中起了关键作用 对称性自发破缺机制最早是1960年南部阳一郎将铁磁系统和超导体中对称性破缺引入到微观粒子系统提出的。 对称性自发破缺

在弱电统一理论模型中，电磁相互作用和弱相互作用可以用一种统一的量子规范场来描述，遵从规范不变的内部对称性。然而精确的规范不变性要求光子和中间玻色子是无质量的。弱电统一理论预言的中间玻色子质量得到了实验证实，其一致的精确程度是惊人的。它是通过引入的场(标量场)的自作用形式引导的电弱对称性的自发破缺。由此机制使得中间玻色子获得质量，同时预言了一种中性标量粒子称为Higgs 粒子的存在。 83 83

CP 破坏 C：正反粒子变换，电子 正电子 P: 1956年，李政道、杨振宁--宇称不守恒 1964年Cronin-Fitch首先发现CP破坏在K介子系统，千分之几 2000年B介子工厂中发现CP破坏CKM 现有标准模型的CP破坏大小不足以解释宇宙中正、反物质不对称 寻找新的CP破坏机制

早期宇宙处于高度对称状态，粒子数和反粒子数相等遵从电荷共轭对称性 物质与反物质不对称 (6.1)×10^-10 小林和益川机制给出的CP破坏的起源给出的正反物质不对称远远小于10^-10。寻找新的CP破坏机制是粒子物理学和宇宙学的重要课题。

天体的演化 ● 大爆炸以后，…… 宇宙时间 主要事件 温度 奇点，宇宙大爆炸 10–43秒 普朗克时间，四种力统一 1019GeV 奇点，宇宙大爆炸 10–43秒 普朗克时间，四种力统一 1019GeV 10–36秒 粒子大统一开始破缺 1015GeV 10–10秒 弱电统一开始破缺 102 GeV 10–6 秒 强子（核子）开始形成 1 GeV 102 秒 轻原子核（氦）形成 1 MeV 1012 秒 中性原子形成 1 eV 1017 秒 最早的星系开始形成 86

2009-6-24 87 87 87

暗物质和暗能量 ordinary matter ~ 5% Dark Matter ~ 23% Dark Energy ~ 72% Anti-Matter ~ 0% 迄今为止，粒子物理学仅能解释宇宙中物质的百分之几。 暗能量和暗物质的探索和物理解释是对21世纪粒子物理学最严峻的挑战！ 88

物理学毕竟是一门实验科学，只有经过实验检验的理论才是正确的理论。揭示时间、空间、物质和能量本质的新理论也必须在新的实验结果推动下得以发展。 科学家们正在计划通过直线对撞机来实现超高能量的物理实验。 同时，科学家们也在发展非加速器物理实验并与天文观测相结合探讨自然界奥秘。 89

极大与极小，微观与宇观，粒子物理与宇宙学的结合 探讨描述宇宙创生，演化的相互作用。

粒子物理学、天文学和宇宙学交叉发展联手解决面临的难题，最终揭示新的物理规律。

谢谢！ 92