Super Flavor Factory超级味工厂

邢志忠 ( 高能所 )

＠ 2010年全国高能物理会议 , 南昌大学

( 一 ) 味历史与超级味工厂( 二 ) 标准模型与新物理 ( 三 ) 超级味工厂课题举例( 四 ) 总结与展望及其他

2“味”的来历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

Colo

r &

Flavor

Part A

3

1932: Discovery of neutron (J. Chadwick) up and down

1960: The quark model (M. Gell-Mann, G. Zweig)

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)

1947: Discovery of Kaon (G. Rochester and C. Butler) strange

1963: The Cabibbo quark mixing (N. Cabibbo)

夸克味 Part A

1919: Discovery of proton (E. Rutherford) up and down

4

1897: Discovery of electron (J.J. Thomson)

1930: Postulation of neutrino (W. Pauli)

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)

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)

1928: Prediction of positron (P.A.M. Dirac)

1932: Discovery of positron (C.D. Anderson)

轻子味 Part A

1956: Postulation of neutrino oscillations (B. Pontecorvo)

5萨尔马 - 邢定理

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 .

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 ).

1975 + 39 = 2014

Part A

6味物理历史暗示 : 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

7超级味工厂

极高的亮度 :

超级味工厂 : 最先进的正负电子对撞机 .

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 .

Part A

(Browder et al 09)

8超级味工厂物理 (1)

Bottom 物理 : Bu, Bd, Bs 以及 bottomonium 物理 . 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 .(4S)

Part A

(5S)

(3S)

Bs 衰变过程 , 稀有过程 , CP破坏效应 , 寻找可能的新物理现象 .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.

9超级味工厂物理 (2)

charm与 tau 物理 : 很丰富的物理内容 , 堪比 BEPC-II 的升级版 .

Part A

(3770) and(4140)

charmonium 物理

10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 .

Part A

(Bevan 2006)

工业化生产线

11时代定位

质量起源

暗物质

暗能量

质子衰变

中微子物理

宇宙起源 自然力的统

一 新物理

不对称

物质 -反物质

超级味工厂

大型强子对撞机

12互补与特色进攻新物理阵地 : 能量前沿 (relativistic) + 亮度前沿(quantum).

Gershon 08超级味工厂

Part A

How precise is precise enough?

13举例历史上 charm 夸克与 top 夸克的直接发现与先前的精确测量互补 .

Part A

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.

14标准模型 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

15结构与问题 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

16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.

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

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 .

因此带电轻子的 LFV过程可以对新物理非常敏感 .

GIM机制

17新物理 (2) 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).

Part B

没有引入新的 CP破坏效应 .非常多的研究文章被发表 .

18新物理 (3) 超对称 : 四十年来理论家的梦想

Part B

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 ?

19新物理 (4) 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 B

20SFF 的作为 : 例 (1) 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

21SFF 的作为 : 例 (2) 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 .

Part C

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 .

charm

bottom

23SFF 的作为 : 例 (3) Part C

(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)

24SFF 的作为 : 例 (4) Charm 衰变过程中的 CP 破坏效应 ( 标准 :0.1%, 非标准 :>0.1%?).

Part C

sin sin

0 66

cbubcsuscdud VVVVVV

Imaginary

iiicsuscbubcdudcbub e~eeA|VV|/VV|VV|/VV 452242 105

65~

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

25SFF 的作为 : 例 (5) 轻子数破坏 : ( 最小超对称模型 +3 个右手中微子 ).

Part C

(Antusch et al 2006)

SFF敏感度

26SFF 的作为 : 小结 (1) 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

27SFF 的作为 : 小结 (2) 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

超级味工厂的精度一览

28正负电子对撞机

c. m. Energy (GeV)

Part D

29味物理的可能未来… Part D

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 !

SFF: ~10 GeV

SSFF: ~500 GeV

中微子工厂

费米能标

Cosmic Flavor Physics?

30综述性文献

2007

2009

2010

以及若干会议报告文件

Part D