青年第20期报告.pdf

大型对撞机：探索未知的航船和望 远镜 阮曼奇 15/02/2017 1 世界是由什么组成的？ 世界是怎样运行的？ 15/02/2017 2 古典的探索。。。 泰勒斯：水源说 赫拉克利特：火源说 图片来自网络 15/02/2017 3 标准模型：基本组元 ● 常见粒子： – 原子核 ● 质子 （ uud ） – Q = 2/3 * 2 – 1/3 = 1 ● 中子 （ udd ） – Q = 2/3 - 1/3 * 2 = 0 15/02/2017 – 电子 – 光子 – ... 4 四大相互作用 引力 15/02/2017 电磁力 弱力 强力 5 标准模型中的相互作用 电磁 15/02/2017 弱 强 6 标准模型：运行规律 规范相互作用： 弱，电，强。 Higgs 粒子 参与的 相互作用 15/02/2017 7 Higgs 粒子：新的相互作用 ● ● Yukawa 相互作用：决定费米子的质量， – 决定了质子和中子的质量差，保证质子的稳定性 – 决定了电子的质量 - 决定了原子的大小 – 决定了顶夸克的质量 – ... 在标准模型中 Higgs 粒子和顶夸克质量 决定宇宙是否稳定！ Higgs 机制 – 决定了 Higgs 粒子本身的质量 – 决定了 W, Z 粒子的质量，决定了弱相互作用的力 程并影响了其强度 – ... 15/02/2017 新相互作用，指代不同于四大基本相互作用 8 15/02/2017 主角： Higgs 粒子 9 标准模型无法解释的谜团 ● 极早期宇宙的演化 – 暴涨 – 宇宙的大尺度结构 – 暗物质，暗能量的本质 – 正反物质不对称性 – 真空能。。。 15/02/2017 这些谜团同 Higgs 粒子的关系？？ 10 Higgs 粒子：极端重要 + 谜团笼罩 ● ● ● ● ● ● 唯一的标量粒子 同标准模型的绝大部分自由 参数和理论疑难相关 决定了不同于四大相互作用 的基本相互作用 决定了宇宙的面貌和宇宙的 宿命 ... 可能同宇宙极早期的演化行 为相关 Higgs 粒子为什么这么“能干”？ 15/02/2017 Higgs 粒子的本质是什么？？？ 11 Higgs 15/02/2017 12 加速器 & 对撞机 加速器将粒子加速到很高的能量， 并将粒子束团压缩到很小的尺寸， 以产生大量的对撞事例， 并通过专门的探测器对对撞产物进行测量 探索其中的新现象。 荧光屏中的加速器 以粒子物理研究为目的的对撞机有很多种：正负电子对撞机，质子对撞机， 光子对撞机，电子 - 质子对撞机，重离子对撞机， Muon 子对撞机。。。 其形状也有很多种：直线，环形。。。 15/02/2017 13 探测器 15/02/2017 高能对撞机上探测器的尺寸 ~ 10 米 14 对撞产生物理事例 15/02/2017 15 回顾上帝粒子被发现的传奇历史 预言 – 限定 – 发现 15/02/2017 16 精细测量：望远镜 在较低能区进行精确测量，以此寻找高能区新物理的蛛丝马迹 15/02/2017 事实上，在 Higgs 粒子发现之前，前期实验，特别是 LEP 实验 就已经通过精细测量确认了 Higgs 粒子可能存在的质量范围 17 15/02/2017 18 直接测量：航船 将对撞能量提高到目标能区，直接产生新粒子、观测新现象 15/02/2017 19 15/02/2017 20 CEPC-SPPC ● ● CEPC ：环形正负电子对撞机：隧道总长 50/100 公里，预期造价 255/360 亿人民币 – Higgs 工厂 : 一百万干净的 Higgs 事例 – EW 精细测量： 100 亿 Z 粒子 – 可能的新物理搜索：暗物质， Exotic Higgs 衰变， Higgs 宽度 未来升级： SPPC ，超级质子对撞机。对撞能量及造价取决于磁铁研究的进展。预期质心能量 100 TeV 量级 15/02/2017 21 Higgs 粒子的预期测量精度 产额 LHC Run 1: 106 15/02/2017 -3 ~o(10 ) Run 2/HL: 10 CEPC 探测效率 106 7-8 ~o(1) 其他特点 本底极高，误差较大，无法实现对 Higgs 粒 子的绝对测量 本底很低，绝对测量，对 Higgs 粒子的测量 精度大大超过质子对撞机。 可对 TeV 能区物理进行扫描 22 Higgs 粒子和暗物质 只要有大于千分之一的 Higgs 粒子衰 变为不可见的暗物质粒子， CEPC 将 能够确认这一信号 ● Higgs 粒子的宽度可被 CEPC 测量至 3% 的相对精度：对任意导致 Higgs 粒 子衰变行为发生变化的新物理信号敏感 ● 15/02/2017 23 CEPC ：全新的海图 额外维 暗物质 组分 Higgs 模型 真空相变 超对称 ... 也许：未知的新大陆？ Composited Higgs, 2HDM, Extra Dimension, Dark matter, SUSY... 15/02/2017 24 Higgs 粒子， 21 世纪粒子物理学大厦上的乌云 我们期待针对 Higgs 的探索将带来的全新知识 也期待着这些知识蕴藏的无限可能 愿探索的小船一往无前 15/02/2017 25 谢谢大家 15/02/2017 26 15/02/2017 27 天问 15/02/2017 28 Higgs discovery at LHC 将对撞能量提高到感兴趣的能区，直接产生新粒子、观测新现象 15/02/2017 29 Higgs @ LHC 质子对撞机： Higgs 粒子产额很高（ LHC 上已产生 100 万 Higgs 粒子），然而探测效率极低 , 无法实现绝对测量 海量本底：约 100 亿次对撞中产生一个 Higgs 粒子 15/02/2017 30 Specific Final State... Overlap with lots of PU events 15/02/2017 31 CEPC: a precise Higgs factory ● Higgs mass ~ 125 GeV, it is possible to build a Circular e+e- Higgs factory (CEPC), followed by a proton collider (SPPC) in the same tunnel ● Looking for Hints (from Higgs) at CEPC → direct search at SPPC ● CEPC: 1 M Higgs boson + 10 Billion Z bosons... 15/02/2017 32 Higgs @ CEPC 干净：每 1000 个事例中产生一个 Higgs 15/02/2017 主要可观测量 : Higgs 粒子的质量、产生截面、衰 变产物及衰变分支比 可对 Higgs 粒子进行绝对测量 ( 直接测量耦合常33 数) Sim Higgs @ CEPC 15/02/2017 34 标准模型的拉氏量 15/02/2017 35 Higgs 粒子同标准模型中的参数 标准模型中唯一的标量粒子 同绝大多数 标准模型参数 以及 15/02/2017 理论疑难直接相关 36 Key: a precise Higgs factory ● ● Higgs mass ~ 125 GeV, it is possible to build a Circular e+e- Higgs factory (CEPC), followed by a proton collider (SPPC) in the same tunnel Looking for Hints (from Higgs) at CEPC → direct search at SPPC 15/02/2017 37 Higgs @ LHC 质子对撞机： Higgs 粒子产额很高（ LHC 上已产生 100 万量级的 Higgs 粒子），然而探测效率极低 海量本底：约 100 亿 -1000 亿次对撞中只要一个 Higgs 粒子 无法实现绝对测量 2 2 σ(AA→H→BB) ~ g (HAA)g (HBB)/Γtotal 15/02/2017 38 Z→2 muon, H→2 b Z→2 jet, H→2 tau ZH→4 jets Z→2 muon H→WW*→eevv 15/02/2017 39