探寻超出标准模型的新粒子

关于探寻超出标准模型的新粒子2023/1/41第一页，共二十页，2022年，8月28日2023/1/42标准模型微观粒子之间的基本相互作用是：SU(3)色规范相互作用和SU(2)U(1)电弱相互作用，他们分别具有确定的规律并且具有确定的对称性。微观物质由具有这些相互作用性质的61种粒子组成，它们是：光子、3种弱相互作用的中间玻色子、8种胶子、6种轻子、6种反轻子、18种夸克、18种反夸克、1种中性的Higgs粒子。这些粒子的存在是与这些相互作用密切相关的。第二页，共二十页，2022年，8月28日2023/1/43超出标准模型超出标准模型的可能途径：1。存在新的还没有观察到的相互作用，这种相互作用可能在现有实验范围内还观察不到它的显著效应；2。微观物质世界具有新的对称性，这种对称性现在还没有被观察到，很可能是一种已经破缺了的对称性。第三页，共二十页，2022年，8月28日2023/1/44Higgs

粒子参与的相互作用如果Higgs粒子确实存在，虽然它可以参与和规范粒子的相互作用，但

Higgs

粒子的自作用，它和费米子的汤川相互作用，都已经超出标准模型的范围。因此，和Higgs粒子参与的相互作用有关的物理是超出标准模型的物理。也就是说Higgs粒子参与的物理是超出标准模型的物理。第四页，共二十页，2022年，8月28日2023/1/45Higgs粒子作为相互作用的媒介粒子实现的物理过程是超出标准模型的物理过程。首先要找到Higgs粒子，才能观测Higgs粒子参与的相互作用过程，探究与此相关的超出标准模型的物理。在最小标准模型中认为自然界中只存在一种中性的Higgs粒子，这个粒子的性质已经比较清楚了。一旦这种粒子被发现，就可以在此基础上研究Higgs粒子作为相互作用的媒介粒子的物理过程。第五页，共二十页，2022年，8月28日2023/1/46但是Higgs粒子可以不只是一种中性的，有可能存在几个中性的Higgs粒子，还可能有几个带电的Higgs粒子。如果找到的Higgs粒子不仅是中性的，还可以有带电的，则Higgs粒子有关的物理将是一个丰富多彩的领域，这是一个与标准模型相近的超出标准模型的物理领域。如果存在不止一种Higgs粒子，它们的质量并不相同，它们的运动行为也不相同。很可能其中一个中性的Higgs粒子质量最低，其它的质量比它高，甚至高一个数量级。第六页，共二十页，2022年，8月28日2023/1/47多Higgs

粒子的情形几种可能的多Higgs

粒子的情形：

H0,H’0,f0,f+,f-

H0,f0,f+,f-

H0,H’0,f0,f+,f-,f++,f--其中第一种情形中5种Higgs

粒子的质量没有直接的限制和约束。后2种情形中H0

的质量较轻，其它的Higgs

粒子质量至少要比H0大一个量级。这些重Higgs

粒子质量很重，但衰变宽度很小，是窄宽度粒子，G/m~0.01，很小，这是有利于辨认的特征。第七页，共二十页，2022年，8月28日2023/1/48现在实验上还没有发现Higgs粒子，实验给出中性Higgs粒子质量的下限为

m>114.4GeV,CL=95%.Higgs粒子是极不稳定的粒子，它的衰变道很多，很难辨认。寻找Higgs粒子参与的物理过程是新物理的表现。考虑到Higgs粒子的质量很大，实验上寻找Higgs粒子，以及观测Higgs粒子参与的过程，都需要很高能量的碰撞才能实现。在LHC上可以进行这些实验。第八页，共二十页，2022年，8月28日2023/1/49新的弱相互作用如果电弱相互作用实际上不是SU(2)xU(1)规范相互作用，而是更高对称性的规范相互作用，这就是引入了新的弱相互作用。过去研究得较多的几种更高对称性的情形是：

SU(2)LxU(1)xU(1)’,增Z’SU(2)LxSU(2)RxU(1),增W+R,W-R,ZRSU(3)xU(1).增5个重规范粒子新增加的规范粒子就是新的弱相互作用的媒介粒子。由于这些新增加的规范粒子比已知的W，Z重很多，在现在的能量范围内，新的弱相互作用的效应被弱相互作用所掩盖，导致新的弱相互作用一直没有被发现。第九页，共二十页，2022年，8月28日2023/1/410如果有新的弱相互作用，就预言将存在并可以观察到多个新的规范玻色子和多个新增加的Higgs粒子。但这些新的规范玻色子和Higgs粒子的质量都远远高于现在已经发现的Z粒子。在高能范围有可能观察到新的弱相互作用的显著物理效应，也才有可能观测到新的规范玻色子和新的Higgs粒子。估计在LHC上可以进行这些实验。第十页，共二十页，2022年，8月28日2023/1/411新的强相互作用如果存在新的还没有观察到的相互作用，这种相互作用可能在现有实验范围内还观察不到它的显著效应。这种相互作用应该是一种比色作用更强的相互作用，并且应该是一种非常短程的相互作用。现在已经发现的夸克、轻子都不能直接参与这种相互作用，至少在100GeV

能量以下范围内不能参与这种相互作用。如果是规范相互作用，则这种相互作用是一种非Abel规范场，强耦合、短程。第十一页，共二十页，2022年，8月28日2023/1/412

过去理论上提出的彩色（technicolor）相互作用就是这种相互作用。色相互作用只有在能量在GeV量级的碰撞中才能显现出来，能参与色相互作用的粒子—夸克和胶子也才能在碰撞中产生和被观察到。可以预期，新的强相互作用只有在TeV量级或更高能量的碰撞中才能显现出来，也只有在这能量下新的强相互作用的媒介粒子才能产生和被观察到。第十二页，共二十页，2022年，8月28日2023/1/413在GeV量级的碰撞中产生正反夸克对和胶子是以强子喷注的形式被观测到的，夸克和反夸克表现为喷注，胶子则表现为一个胖喷注。类比之下，可以预期，在TeV量级的碰撞中产生具有新的强相互作用能力的新粒子和新的强相互作用的媒介粒子也将以某种形式的超喷注出现。期望在LHC的实验中能观测到。第十三页，共二十页，2022年，8月28日2023/1/414超对称性微观物质世界具有新的对称性，这种对称性现在还没有被观察到，很可能是一种已经破缺了的对称性。现在研究得比较多的是超对称性。如果微观世界具有超对称性，按照超对称标准模型，所有的粒子，包括规范粒子，都有它的超对称配偶。并且Higgs

粒子的数量也将大大增加。这样微观世界的粒子至少比标准模型中有的增加一倍。由于超对称性在很高能量就已经破缺，所有这些超对称配偶粒子可能都具有很重的质量，很可能都在100GeV以上。第十四页，共二十页，2022年，8月28日2023/1/415按照最小超对称标准模型，还应该存在的超对称性配偶粒子有：光微子、6种带电微子、6种中性微子、8种胶微子、6种标量轻子、6种标量反轻子、18种标量夸克、18种标量反夸克。它们都应有很重的质量，可以在高能碰撞中产生。这些配偶粒子的性质和运动行为都是已知的，并且它们可以互相转化，很可能最轻的配偶粒子是稳定的，如果是这样，可能自然界存在很重的稳定粒子。第十五页，共二十页，2022年，8月28日2023/1/416宇宙线物理和宇宙学给出的启示1972年云南宇宙线站观测到一个长寿命的带电重粒子C+，这个新的带电重粒子的性质为：质量m>43GeV；寿命t>0.406x10-9sec.如果它不稳定，可以衰变成中性的C0，C0

的质量m>42.7GeV。如果C+

和C0

确实存在，都不是标准模型要求存在的粒子，也不是标准模型粒子组成的复合粒子，都是超出标准模型的新粒子。第十六页，共二十页，2022年，8月28日2023/1/4171979年Kolar金矿矿井实验中观察到一个“双芯”事例，表现为两个能量分别为100GeV和80GeV的簇射，它们之间的夹角是26度。如果这事例是来自一个重粒子的衰变，则这个重粒子的质量的下限是40.2GeV。如果这事例是来自一个粒子和核子的碰撞，不先验地假定是由零质量的中微子引起的反应，则定出这个入射粒子质量的下限是35.8GeV。这实验也表明可能有长寿命或稳定的中的带电的或中性的粒子存在，其质量也至少是质子的数十倍以上。第十七页，共二十页，2022年，8月28日2023/1/4181980年巴西-日本组在超高能宇宙线实验中观测到“Centauro”事例，1984年帕米尔协作组也在超高能宇宙线观测中观测到“Centauro”事例。这种事例入射粒子能量很高，碰撞产生的次级粒子不多，能量很大，例如有一个事例中次级粒子能量和为7x1014eV。但是在次级粒子中没有光子、p0

介子、h

介子。Centauro事例是很奇特的现象，不能用粒子物理和核物理中的各种碰撞模型来解释，也很难以在标准模型的基础上理解和解释。第十八页，共二十页，2022年，8月28日2023/1