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Theoreticle粒子物理学的未来:一个总结

*通信:

Kabuswa戴维·米粒子物理研究所,华中师范大学,中国,电话:+ 86-27-67863760;电子邮件:davymanyika@yahoo.com

文摘

从历史可以追溯,基础物理学革命始于20世纪物理学的两大重要理论即:相对论和量子力学。一方面,许多年的下半年世纪是致力于建设一个统一的理论结构,这些激进的想法。另一方面,这个基础也让我们的一些悖论性质的理解。许多试图理解量子力学和重力在最小的距离尺度时空不可避免地造成的结论是一个近似的概念,必须走出更原始的构建块。此外,暴力短途量子涨落似乎在真空的存在宏观世界非常难以置信,然而我们舒适的生活在一个巨大的宇宙。现在,如果有的话,这些波动驯服?为什么有一个宏观的宇宙吗?这是两个中央理论基本物理学在二十一世纪的挑战。在这总结中,我们描述的思想围绕着这些问题,以及一些的理论和实验方面他们被袭击并预测未来粒子物理学理论。

关键字

相对论;量子力学;标准模型

介绍

几乎所有实验数据从高能源实验可以通过所谓的标准模型(SM)的粒子及其相互作用,形成在1970年代(1]。理论物理方面发挥了至关重要的作用在粒子物理学以来最早的天。广泛的实验结果的解释和合成(现象),量子场理论的进展,识别对称性的作用和发明新的计算方法(扰乱性的技术和晶格量子色)发展SM都是至关重要的。SM还包含24基本粒子(12粒子及其相关反粒子),这是所有物质的成分2]。

物理学的一个主要目标是找到团结一切理论的“共同点”成一个综合理论,所有其他已知的法律的特殊情况,并从物质和所有的行为能源可以推导出至少在原则上[3]。

会议后的粒子物理学家,术语“基本粒子”应用于这些粒子,根据目前的理解,认为是不可分割的,而不是由其他粒子(4]。粒子物理学侧重于探索工具攻击所必需的基本问题如:

1。一切是什么做的啊?

2。粒子相互作用如何?

3所示。什么原则造成这些问题的答案?

4所示。我们如何使用这些信息来预测和解释未来实验的结果?

所有粒子及其相互作用观察到目前为止可以描述几乎完全由一个叫做SM的量子场理论(5]。粒子物理学的SM提出了这些问题的答案。虽然高度怀疑SM将完好无损超越这十年更进步的理论和实验物理,这是未来的理论比较的基准。现代粒子物理学通常调查SM和它的各种可能的扩展(6]。

理论家们一直在问问题的司机导致超出了SM。这些包括:层次结构的起源弱者的尺度和引力相互作用之间的物理味道,中微子质量的起源,暗物质的粒子性质,暴胀宇宙学,baryogenesis,解决量子力学和重力之间的紧张关系,识别和解释暗能量。

SM是可能完成,在某种意义上,它是一个一致的理论非常高的能量。现在所有的实验探索的背景。还有许多问题超出了SM,现在该领域面临新的严峻挑战。这是因为在SM超越,我们正在进入一个环境潜在高回报和高风险。

理论家继续提出可能的新现象相关的所有三个领域(能源、强度和宇宙),将有助于指导今后的实验研究,将如何应对它们。他们将延长量子场理论的结构和量子重力,提供的线索可能潜在的自然法则,他们将继续提出解释的层次结构能源尺度,暗物质的起源和类似的奥秘,对现有的和拟议的实验。几十年来,他们将提供关键实验数据分析的输入。

粒子物理今天

从理论和实验中,有几个论点认为SM只是低能源限制的基本理论(7]。未必如此,因为SM已经成功测试了一个令人印象深刻的精度和水平提供了目前我们最好的粒子物理学的现象学的基本理解。过去五年看到一个主要的理论和实验物理携手合作。SM预测一种玻色子的存在被称为希格斯玻色子。2012年7月4日清晨,物理学家和大型强子对撞机(LHC)在欧洲核研究组织(CERN)宣布他们发现了一个新的行为类似于什么粒子,预计从希格斯玻色子8]。

这是一个非凡的实验成就。然而,这样的成功也取决于理论家讲究的理解量子色动力学(量子色),和预测能力,为最简单的希格斯的理论,产量非常精密和衰变分支比。

早期迹象表明,这个粒子实际上是希格斯粒子预测的最简单的版本的SM,简单的有确切含义。这是最小数量的自由度一致的对称性强,弱,和电磁相互作用,量子力学的原理,局部性和狭义相对论。

理论家们仍然发挥着重要的作用在即将到来的测试的SM解释希格斯玻色子。它们不仅为生产和提供所需的SM计算衰减率,新方法测试希格斯玻色子的属性,和替代模型对这些测量可以测试,但他们有一个框架来量化任何潜在的差异最简单的希格斯粒子理论和实验使用“有效场理论”的方法。

稍长一些的时间尺度上,我们看到,在过去的二十年里,许多其它成功的SM。最引人注目的近年来的实验验证Cabbibo-Kobayashi Maskawa (CKM)阶段解释观察到的CP (CP)违反K和B介子系统。这是SM和实验智慧的胜利。

然而,它也反映了发展,在过去的三十年中,光谱的理论工具,包括:弱相互作用的一般框架现象学使用运营商的产品扩张,敏锐的识别时间CP不对称,新方法对于理解重夸克系统,和一个非凡的增长能力计算实际物理量从格点规范理论。

事实上,晶格规范理论的进展在过去的十年中一直是惊人的,包括,例如,计算强子谱产生的精密测量光的夸克质量和计算所需的衰变振幅CKM参数的准确提取数据。

理论与实验的另一个成功的验证SM在对撞机实验中以惊人的预测精度。在大型正负电子对撞机实验(地蜡)和斯坦福直线对撞机证实了电弱耦合的准确性和测试量子色在一个清洁的环境。

这些知识,一起改进在强子对撞机的理论过程中,使得在Tevatron SM测试和测量精度和大型强子对撞机甚至十年前这是不可想象的。Tevatron W质量测量,SM电弱的测试向量玻色子生产速度和运动分布,以及顶夸克偶产生横截面在Tevatron和大型强子对撞机,只是几个例子的进展。

过去的十年中也确认中微子的存在和中微子振荡参数的测量。理论家们发挥了重要作用在这些发展的方方面面。他们首先了解中微子振荡奠定了理论基础,在真空和包括物质的影响,并提供了自然的框架解释中微子质量的极小值。理论家也提供了详细了解问题产生这些现象的检测使用来自太阳的中微子,大气中,核反应堆和加速器。

理论的发展前景

在本节中,我们考虑包括五个领域:现象学,场理论计算方法,模型建筑,天体物理学和宇宙学,弦理论,量子引力和基本问题。这些都是广泛的主题;在现象学,例如,我们认为对撞机现象学,电弱物理,中微子物理学、重夸克物理和额外的主题;在场论中,我们包括格点规范理论以及扰乱性的和半古典的方法;模型建筑包括模型的味道,超对称,大统一理论(内脏),和大或扭曲的维度。

现象学

认为基本粒子的物质都是由至少可以追溯到公元前6世纪(9]。粒子现象学中扮演着关键角色的连接实验与理论的各个方面,包括模型建筑,使混乱的和晶格量子色,更基本的问题。在过去的几十年中已提取的核心参数的基本拉格朗日从实验数据。它发挥了至关重要的作用在Tevatron和大型强子对撞机项目的成功,导致精度测定顶夸克的属性和希格斯玻色子的发现。

多体的系统表现出紧急现象意义上的非编码在他们的选民的法则(10]。现象学社区提出了许多新的运动学变量现在每天使用大型强子对撞机的研究人员合作。特别是,理论家在暗物质提出适当的框架分析直接检测实验的联轴器的低能有效理论,扩大的可能的解释这些实验。现象学的解释仍将是至关重要的持续的和即将到来的实验和开发未来的计划。

味物理

风味的研究物理学是SM的发展不可分割的一部分。理论发挥了至关重要的作用,从三代夸克的想法开始,重夸克有效场理论和晶格量子色,提供重要形式与几个百分点的不确定性因素。

建议物理以外的SM味道强烈受到物理、是否地址直接主体的大问题。

中微子物理

1998年6月的一个非常重要的事件发生在中微子物理。超级神冈探测器协作报道大气中微子中微子振荡的一个强有力的证据证明他们的数据11]。这不是一个雷暴晴空:中微子振荡的证据已经安装在过去的二十年里太阳中微子实验(12大气中微子),和以前的数据也给迹象的中微子振荡(13]。

中微子理论坐在十字路口的粒子物理、核物理、天体物理学和宇宙学,因此提供了巨大的机遇和有趣的挑战。中微子物理实验项目有巨大的成功在过去的15年里,开始发现中微子振荡在太阳能和大气中微子。理论发挥了重要作用在这些发展的每一步,从微中子通量的计算从太阳和大气中,识别的物质影响的重要性。

这个领域集中在测量中微子质量和组合和理解,以及基本问题如中微子是否自己的反粒子,中微子质量的尺度上一代,中微子的可能作用的物质和反物质(leptogenesis)之间的不对称。

也有非常广泛的讨论可能的下一代长基线的μ介子储存环实验(14]。所有这些实验被设计用来探测中微子质量的平方的广泛差异和轻子混合角,并可能收取平价(CP)违反了中微子振荡的影响。他们还可以测试物质的迷人的可能性增强中微子振荡的分选效果(15]。

场理论计算方法

在不同的情况下,可以从实验中提取重要成果只有通过非常精确的理论预测。

扰乱性的有效场理论方法:核力量深度研究了过去五十年,导致优秀的现象学描述(16]。该企业的主要目标已到达“最佳”two-nucleon潜力和使用它在多体的计算确定核物质的性质和有限的核。有效场理论(EFT)分析17)提供一个不同的角度:没有最好的双体的潜力。事实上,off-shell潜在或振幅不可见的行为,不应影响理论的可预测性如果使用一致的power-counting计划(18]。

更准确的理解重强子物理的启用了一些突破。首先,运营商产品扩张弱转换,后来,重夸克有效的连续发展理论,非相对论量子色,以及最近软共线的有效理论(SCET)。这些发展都代表有效场理论的建设(eft)来自物理尺度分离。他们有伟大的实际回报B介子的实验研究,charmonia, bottomonia。

也有巨大的进步计算横截面相关背景和信号在对撞机,在强耦合常数的高阶,甚至包括电弱修正。

一个也不能夸大精密电弱理论的重要性。的胜利精密电弱测量在预测希格斯色子的质量就不会发生如果量子修正弱混合角和弱玻色子的质量没有已知的两个循环秩序。

尽管所有这些进步在精密连续量子场理论的应用,仍有足够的空间为新理论的发展,与实际应用这两个实验,那些扩大我们对量子场理论的理解和结构的物理定律。

晶格量子色:晶格量子色是我们的主要工具对于理解量子色的non-perturbative方面。强子矩阵元素的数值评估粒子物理的许多领域的进展至关重要。过去十年见证了一个巨大的增加晶格的力量的方法。晶格量子色使弱矩阵元素的计算百分比,以及精确的量子色确定耦合和夸克质量。计算的衰变常数D和Ds介子提供引人注目的最新进展的例子。

模型建立

在粒子物理学中,术语模型建筑的新的量子场理论是指超越某些特性使其有吸引力的SM理论上或在不久的将来可能的观测。一个模型建造者通常选择新的量子领域及其交互作用,试图让他们的现实的组合,可测试的,身体上的有趣。特别是,一个有趣的新模型应该在标准模型地址未被解答的问题。

TeV-scale模型建筑:对于TeV模型建筑、超对称的概念,从而解决层次结构潜在的问题,一直是实验的重要推动力。超对称预测新粒子数组,经常与先验已知的属性,这导致了各种实验搜索直接寻找这些新粒子。

许多寻找暗物质通过直接检测都集中在最轻的超对称粒子,这是一个自然的候选人暗物质。leptogenesis模型提供了一个非常强大的动力在地图上标出中微子部门详细的参数,尤其是CP属性。

在大型强子对撞机的时代,触发带宽是关键和背景很大,是很重要的模型,覆盖尽可能多的签名。超对称分裂表明准稳定态的胶子和导致搜索时间衰变。其他模型导致准稳定态的带电粒子或流离失所的顶点。

有大量的外来模型显著扩大的范围搜索策略在大型强子对撞机实验,减少丢失的可能性新现象的关键信号。

味道模型建筑:的起源夸克、轻子和近年来的中微子质量矩阵是粒子理论中伟大的奥秘。理论家已经探索了各种各样的思想对于理解层次结构中观察到的夸克和轻子质量矩阵。这些包括,但并不限于,风味与小打破对称性,扭曲和额外维度模型和组合和鲜艳的色彩模型。

大统一理论:大统一理论(内脏)建议统一强,弱,和电磁相互作用到一个单独的力量。三SM的统一量化测量的耦合能源规模毫克是勇气范式的基石之一。这显然是直接现象学的相关性。计耦合统一是最好的理解框架的有效场理论(EFT) [19]。他们也统一夸克、轻子、反夸克和anti-leptons家庭常见的多胎。这样的安排可以解释夸克与轻子的共存,他们的量子数,电荷的量子化。

这个统一是主要的直接证据,对于勇气。但这些理论的研究已经有其他的影响。内脏刺激质子衰变实验,这有助于解决太阳中微子问题,并导致大气中微子振荡的发现,并从超新星中微子的探测。

弦理论模型建筑:有许多挑战在弦理论联系现实世界中,但考虑弦模型的粒子物理学模型的思想产生了深远的影响。这些想法包括理解光的希格斯玻色子,定理证明缺乏连续的全球对称离散对称的作用,思想的起源重复性代,自然环境Peccei-Quinn解决方案的强大CP问题,候选人字段和暴胀宇宙学的机制。

我们预计在这个领域取得进一步进展,利用理论发展和应对实验发现和排除。

天体粒子物理学和宇宙学

宇宙常数的组合分布的冷暗物质粒子在最初一段时间的通货膨胀扩张现在被认为是宇宙学的SM。这模型提供了一个简单的解释宇宙中不同的物理现象。

然而,即使这幅简单的图画继续承担,仍然有很多解释,包括宇宙常数的值的原因,宇宙密度扰动的起源,暗物质的性质。理论家提出了一系列暗物质候选者。

天文学和宇宙学理论也起着关键作用的解释各种各样的当前和未来的测量,包括暗物质实验,巨大星系调查,引力透镜观察,和宇宙微波背景数据。

通货膨胀的假设来自粒子理论,从大统一观念和磁单极子。现在中央宇宙前沿和理论的项目的一部分。

弦理论,量子引力和基本问题

SM发达的重要组成部分,在场论理论深入研究的根本问题。其中包括renormalizability和统一性的要求,从异常相关约束的自由。其发展和充分理解要求理论家主以前不熟悉的话题在集团等数学理论,拓扑结构和纤维束的理论。

弦理论的努力理解现象学的强相互作用,后来发展到一个统一的方法来量子力学和重力。特别是1984年在弦理论感兴趣的复苏之后anomaly-free弦理论的发现,将手性SM的表结构。此后,弦理论一直是一个新的想法在粒子物理学的主要来源。它提供了洞察问题的统一,强劲的CP问题,黑洞物理、超对称,平面和扭曲额外维度的可能性,等等。它有一个重要的间接影响粒子物理激发新的普通微扰理论计算方法。

弦理论的量子引力理论,广义相对论也关系密切,有丰硕的相互作用string-theoretic方法和传统方法的研究黑洞的性质。超对称,孤独和结合技术发达在弦理论中,仍然是一个强大的工具为解开强相互作用的动态评估理论。

应该注意的是,黑洞难题在很大程度上推动了发现计或重力二元性,迫使理论家们更好地理解之间的关系的动态黑膜和区间。似乎这些谜题仍将是一个富有成果的洞察力和新思想的来源(20.]。

弦理论实践者也导致了我们对宇宙的理解的进步,味道物理模型,等等。弦理论和超对称也产生了广泛的影响在纯数学领域包括代数几何、数论。很可能弦理论的想法和技巧导致至关重要解决的许多问题我们对大自然在内心的最深处。

粒子物理的实际应用

原则上,所有物理和实际由此开发的应用程序,可以从基本粒子的研究。在实践中,即使“粒子物理”是指“高能原子附肢”,许多技术已经开发在这些开创性的社会调查,后来得到广泛使用。粒子加速器生产医用同位素用于研究和治疗,例如,同位素用于正电子发射断层扫描(PET)成像,或者直接使用体外放射治疗。

超导体的发展推动了他们在粒子物理学中使用。万维网和触摸屏技术最初由欧洲核子研究中心开发的。

额外的应用程序被发现在医学、国家安全、工业、计算、科学、和劳动力发展,说明和越来越多的有益的实际应用与粒子物理学的贡献。

未来是什么样子?

理论家”看似完全理解物理,距离尺度秩序10−17厘米,带来了其他问题成为自然的法律关注的焦点。理论中扮演着关键角色在描述提出的问题和可能的答案。在问题理论家帮助识别和锐化:

巨大差异的起源是什么能源尺度与弱引力?这是层次结构的问题。它有两个部分:(1)为什么会有如此大的差异和(2)微调,这样任何新的问题能源阈值远高于W和Z波色子的质量,比如普朗克尺度或统一尺度,往往破坏希格斯玻色子的质量通过量子修正。

1。SM的参数从何而来?

2。强和弱力统一一些吗能源规模?

3所示。为什么强相互作用CP保护?这是占一个轴子字段,这axion constitutesome还是所有的暗物质?

4所示。夸克和轻子存在许多谜团。为什么有重复的一代?什么占thehierarchical夸克的质量和组合结构和带电轻子吗?

5。发现中微子的质量提出了新的问题。是什么能源规模与代ofneutrino质量?中微子自己的反粒子吗?

6。观察到的CP破坏的SM不足以解释宇宙的重子不对称。Whatphenomena可能占呢?可能在他们容易进入的实验能源或强度前沿?

7所示。暗物质的身份是什么?它的起源是什么?为什么它在目前的宇宙时代成为重要吗?

8。是什么导致了通货膨胀的时代,宇宙是如何最终在其当前状态?

9。量子引力理论的本质是什么?

10。从设置原则或结构的自然法则是什么?

理论家们积极考虑所有这些问题。其中一些指向特定的能源尺度和类型的实验。

实验必须探索途径,理论家应该遵循自己的直觉。其他演讲者将讨论正在进行的程序连接字符串真空观察。但是对我来说有明显的挑战:完成弦理论,爱因斯坦完成GR一样,使用的工具,把我们带到了我们目前的理解。显然这将需要更长的时间,量子以及相对论。它可能需要我们还不怀疑的概念。但是我们会成功。这个问题目前在一个令人兴奋的状态,从量子信息理论和新思想黑洞信息问题(21,22]。

对物理学之外的SM的建议包括:超对称性,可能新的自然对称相关的费米子和玻色子,了解普朗克尺度之间的层次结构和疲软的规模。在许多实现理论家们认为,人们期望发现在第一次运行在大型强子对撞机。尽管如此,它仍是一个更为合理的解释,并持续的实验和理论研究的主题。

另一方面,复合希格斯模型,鲜艳的色彩,和Randall-Sundrum模型提供替代层次结构的可能的解释问题,并正在进行实验的主题搜索。

方面的暗物质候选人在质量弱相互作用粒子(WIMPs)是自然的超对称性和其他几个理论结构,就可以在发明了解强CP的问题。这些都是正在进行的理论研究和大量的实验的主题搜索(23- - - - - -26]。

特别是弦理论提供了一种很有前途的模型统一引力和其他部队在一个一致的量子力学框架。它也提供了新的工具,用于解决问题在量子场论和不同领域的物理包括重离子物理和凝聚态物理。提出新的原则(全息术)和粒子现象学和物理灵感超出了SM。

也启发了强大的发明的技术计算散射振幅。

Leptogenesis,另一方面,是一个有吸引力的范式解释宇宙的重子不对称,具有亲密与中微子质量的起源。合理的间接证据,这种机制会发现中微子的CP违反部门,在即将到来的长基线的主题测试实验。其他的想法baryogenesis有不同的潜在后果。

除了提高问题,理论家们建立起强大的扰乱性的和non-perturbative技术执行计算基本理解对撞机实验。理论精度现在常规,以前认为不可能的。这个精度,将依然存在,关键在理解SM SM以外的物理和物理发现证据。这包括了解

Tevatron和大型强子对撞机的数据,以及来自北京电子光谱仪(BES) III和Belle-II。

即将到来的来自大型强子对撞机或实验结果在任何领域的下一个十年可能提供这些问题的答案。例如,层次结构或“自然性”问题提供了新物理学的主要论点应该出现在TeV-scale,它激发了一系列建议物理超出了SM。许多具体建议为新物理学TeV-scale严格限制了大型强子对撞机搜索,和自然的范式受到了越来越多的关注。然而,仍然存在显著的空间探索。

回答在前沿理论问题需要实验。强度前沿实验和精密测量能源边境可能提供依据新的物理略高能源鳞片。宇宙前沿实验可能产生一个懦夫候选人或进一步限制这种模式。

对于其他问题,实验输入可能是有限的很长一段时间,和理论家将尝试整理答案,开始试探性的,结合实验知识与理论见解。

结论

在总结,它是至关重要的,本文主要强调发现将在大型强子对撞机将指向新现象,物理学家想要探索使用一个适当的新对撞机。这可能要求更多创造力和资金以达到物理超出了SM。

此外,在大型强子对撞机实验可能表明新物理学能源鳞片明显之外,它可以果断。因此,扩展的能源提供前沿的大型强子对撞机将需要新技术的发展。

子对撞机或一个大型强子对撞机有可能支持更高的能量和光度post-LHC时代。子对撞机技术还有待证明,需要的是专注于开发和验证的概念。今天的强子对撞机技术可能被用来构造一个设施达到显著超出LHC,但成本会太高。因此在这个领域的工作重点应是在降低成本通过使用先进的技术。

最后,μ介子和强子对撞机技术的发展必须及时以确定他们是否代表了技术上和经济上可行的选项达到能量之外探索大型强子对撞机。

确认

我非常荣幸感谢所有教授演讲的过程中我学习指导,支持,和他们的努力教和装备我这个任务。

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