2008诺贝尔物理奖Tsinghua.ppt

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1、2008诺贝尔物理奖邝宇平2008.11.20清华TheNobelPrizeinPhysics2008"forthediscoveryofthemechanismofspontaneousbrokensymmetryinsubatomicphysics""forthediscoveryoftheoriginofthebrokensymmetrywhichpredictstheexistenceofatleastthreefamiliesofquarksinnature"Nambu（南部阳一郎）Kobayash

2、i（小林诚）Maskawa（益川敏英）（1921）（1944）（1940）I.对称性与对称性破缺对称性是物理学中有重要意义的概念。运动方程的对称性导致守恒定律。体系对U变换不变：→U守恒•平移不变性→动量守恒•转动不变性→角动量守恒○空间反射不变性→宇称守恒○同位旋转动不变性→同位旋守恒有些物理量，如宇称、同位旋，实际上并不严格守恒→空间反射、同位旋转动对称性实际上是破缺的！对称性的破缺有两类：•显式破缺：运动方程中含有不对称项•自发破缺：运动方程是完全对称的，但解出的体系的基态不对称。例如Heisenber

3、g的铁磁理论H有转动不变性的哈密顿量→无转动不变性的基态（有特殊方向）—转动对称性的自发破缺。对称性的自发破缺在粒子物理中扮演非常重要的角色。以电弱统一理论为例，它是SU(2)×U(1)规范理论，传递相互作用的规范场：光子（γ）：传递电磁作用弱规范玻色子（W、Z）：传递弱作用要此理论可以重整化，必须运动方程有完全SU(2)×U(1)规范对称性。实验指出：Mγ＝0，MW≈80GeV，MZ≈91GeV。若在运动方程重加入W、Z的质量项，则显式破坏SU(2)×U(1)规范对称性—理论不能重整化！MW和MZ（体现对称

4、性破缺）从和而来？在量子理论中对称性自发破缺保持理论能重整化，同时物理观测量体现对称破缺性质—观测到的MW和MZ不为0！现在还不清楚是自然界的什么机制造成SU(2)×U(1)规范对称性的自发破缺。标准模型（1967）假定存在一个基本标量场—Higgs（Φ）—及其特殊自作用使在真空中<Φ>≠0来造成SU(2)×U(1)规范对称性的自发破缺。它的元激发称Higgs玻色子，是此假定的特征。迄今，实验上一直没有发现Higgs玻色子，且将标准模型用于高能区存在不自洽。探索SU(2)×U(1)规范对称性的自发破缺机制是C

5、ERN的大型强子对撞机LHC的首要研究课题。Nambu在1960年开始用量子场论方法研究BCS超导理论的规范不变形式。随后于1961年与Jona-Lasinio一起将此方法用于研究粒子物理中的对称性自发破缺。他们写出一个场论模型—Nambu-Jona-Lasinio模型：其中γ5＝iγ0γ1γ2γ3。此模型对以下变换（手征变换）是不变的：他们在Hartree-Fock近似下求出在耦合足够强时，真空态（基态）中<>≠0，自发破缺手征对称性—动力学对称破缺。强子质量：典型强子质量Mhad≈1GeV。为何Mπ≈14

6、0MeV？Nambu-Jona-Lasinio模型可以解释此现象。Goldstone定理：连续对称性自发破缺必定导致0质量标量（赝标量）粒子（Goldstone玻色子）存在。手征对称性自发破缺导致的Goldstone玻色子是赝标量—π介子质量为0。再在拉氏量中加一个小的显式破缺项，可使π介子有小的质量。此思路至今仍在用（现在理论中是夸克）。Nambu的工作最先给出粒子物理中对称性自发破缺的模型，成功解释π介子质量轻的问题。Nambu的自发破缺机制被用于许多新物理模型中的电弱对称破缺。II.CP对称性及其破缺C

7、:正反粒子变换P：空间反射变换实验指出电磁作用和强作用中CP守恒。以K介子为例，CP=-1CP=+1CP守恒则但Cronin和Fitch(1964)发现在弱作用中有大约（0.2—0.3)%的—CP破坏（1980诺贝尔奖）。宇宙学中解释为什么物质远多于反物质也需要有较大的CP破坏，现在尚不知其来源。组成物质的基本费米子：70年代初只发现了u、d、s三个夸克。1974年丁肇中、Richter发现了c夸克获得1976诺贝尔奖。对于弱作用，1957年Feynman和Gell-Mann提出普适的V-A作用理论，含一个普

8、适的弱作用耦合常数G。实验测量了β衰变：μ衰变：发现1960年Gell-Mann和Levy用一个小参量ε来描述此差别。1963年Cabibbo引入一个角度，认为在弱作用中是由参与的。这样，。1972年Kobayashi和Maskawa分析了这种转动在什么情况下能够描述CP破坏。他们普遍考虑有N代夸克的情况，分析转动变换中真正独立的参量数目NKM，指出当N＝2，NKM＝1（Cabibbo角）；当N=3