能量前沿正负电子对撞机的研究进展

欧洲核子研究中心在2012年发现了希格斯玻色子,成为物理学史上一个新里程碑.目前,全球高能物理界正在积极推动下一代高能正负电子对撞机的预研工作,以便对新发现的希格斯玻色子进行精确测量并探索标准模型之外的新物理.本文简要回顾了历史上能量前沿正负电子对撞机的发展历程及其作用,包括历史上第一台正负电子对撞机Ad A的诞生,在Ad A基础上诞生的ACO,VEPP-II,ADONE,以及后来的SPEAR,DORIS,CESR,TRISTAN,再到至今为止最大的环形正负电子对撞机LEP等能量前沿正负电子对撞机;并进一步介绍了目前国际高能物理界正在预研的未来正负电子对撞机的几种设计方案,如ILC,CLIC,TLEP等,其中包括我国自主提出的下一代环型正负电子对撞机CEPC.     

中微子是其自身的反粒子吗?

中微子振荡实验显示中微子有质量,而有质量的中微子基本性质的研究是当前粒子物理学的前沿热点.本文简要介绍反粒子的概念、马约拉纳费米子以及实验上如何检验中微子是否是其自身的反粒子.这个重要问题的答案将帮助我们探寻中微子质量的起源和超出粒子物理学标准模型的新物理.     

莱泼实验进展

现代物理实验离不开研究手段。研究基本粒子离不开粒子加速器。世界上最大的粒子加速器——莱泼正负电子对撞机在日内瓦建造以来,已于去年8月成功地实现了正负电子对撞,并产生了许多Z~0粒子。《莱泼实验进展》一文对此作了介绍,对当代科学前沿感兴趣的读者,当不会放过此文的。     

2020欧洲粒子物理学战略敲定

正《2020欧洲粒子物理学战略》的目标之一是选择一个希格斯工厂,对加速器和探测器进行研发,开展项目可行性研究并改善环境的可持续性。2020年6月,欧洲核子研究中心(CERN)理事会全票通过了《2020欧洲粒子物理学战略》。新战略把建造正负电子对撞机和未来环形对撞机(FCC)作为最高优先事项。     

重味物理:通通往新物理之门

作为高能物理的重要分支,重味物理在精确检验标准模型和寻找可能的新物理信号方面发挥着重要作用.近20年来,随着B介子工厂、北京正负电子对撞机和西欧大型强子对撞机的运行,重味物理的研究取得了重大进展.两个B介子工厂发现的B介子系统衰变中的电荷-宇称联合对称性(charge conjugation and parity,CP)破坏,将有助于进一步研究宇宙中正反物质不对称性.中性正反粒子的质量差有助于进一步判定新物理的能标;重味介子非轻衰变的研究使得对量子色动力学以及因子化的研究达到新的高度;更有趣的是,目前重味物理中出现的各种反常,如RK(*)和R(D(*)),可能是新物理存在的迹象.除此之外,重味物理还是研究新强子态的重要场所.近年来在北京谱仪(Beijing spectrometer,BES-III)、B介子工厂以及LHC底夸克侦测器(large hadron collider beauty,LHCb)上发现的众多奇特强子态为研究夸克模型和量子色动力学提供了新的动力.2018年,高精度对撞机Belle-II将开机运行,国际直线对撞机、环形正负电子对撞机、超级Z工厂也在积极推进,它们在重味物理上都具有各自的优势.未来这些高精度、高能量对撞机会使重味物理进入新的黄金时期.     

高能正负电子物理实验进展

高能正负电子物理实验是通过对高能正负电子对撞产生的各种物理现象的研究,来揭示物质的微观结构和相互作用规律的。唐孝威同志撰写的《高能正负电子物理实验进展》一文,评述了在高能正负电子对撞机上所取得的实验成果,并作了展望。     

中国科学家成功测量mτ的背景及意义

1992年,中国高能实验物理工作者利用在北京正负电子对撞机(BEPC)上工作的北京谱仪(BES),做出了一个轰动世界的实验成果,公布了迄今为止最精确的τ子质量测量数据.这是在粒子物理实验前沿领域的第一个中国土产数据,也是中国高能实验物理的一次重大突破.     

敲开新物理大门的中微子——2015年诺贝尔物理学奖介绍

 2015年的诺贝尔物理学奖颁给了Takaaki Kajita(梶田隆章)和Arthur B. McDonald,他们在分别领导的大气和太阳中微 子实验中发现了中微子振荡。这种现象表明中微子具有质量,相关实验结果是超出粒子物理标准模型的重大发现。通过介绍 这些实验以及相关的物理,以期读者对中微子研究有较为全面的了解,并对物理的知识体系和研究方法有比较清楚的认识。     

FASER实验:简介与研究进展

FASER(ForwArd Search ExpeRiment)是一个位于大型强子对撞机(Large Hadron Collider, LHC)上的前向粒子探测实验. LHC质子对撞产生的质量轻、能量高的粒子往往会沿着束流方向飞行,并逃离传统粒子探测器的覆盖区域.对这些前向粒子的探测和研究是传统探测器实验很好的补充. FASER探测器(包括其专门用于探测中微子的子探测器FASERν)位于ATLAS对撞点处束流切线方向下游480 m,物理目标包括可能的暗物质候选者和对撞机产生的中微子. 2023年3月, FASER首次直接探测到约153个对撞机产生的高能中微子,信号显著度为16σ.随后, FASER合作组又公布了其暗光子搜寻结果,未发现显著信号,但给出了质量在17～70 MeV范围内、?在2×10^–5～1×10^–4范围内的暗光子可能性的世界最好限制.正在计划中的前向物理设施(Forward Physical Facility, FPF)或将成为未来HL-LHC时代前向物理研究的新阵地.本文将介绍FASER实验装置及其物理目标,并简要介绍FASE...     

希格斯玻色子不存在几率仅为三亿分之一

2012年7月4日,英国科学家宣布发现了一种与希格斯玻色子类似的粒子。现在,借助大型强子对撞机寻找希格斯玻色子的研究小组报告称,实验结果的确定性水平达到5.9西格马,这进一步证实了他们极有可能发现了这种有着"上帝粒子"之称的粒子。科学家寻找上帝粒子已经有数十年历史,这种粒子是标准物理学模型中缺失的最后一环,它能够解释物质为何拥有质量。大型强子对撞机通过质子束对撞产生巨大能量,进而形成上帝粒子。但这种粒子瞬间即逝,衰变成其他可以被捕获和进行分析的粒子,或     

仍然隐藏于希格斯玻色子中的物理学

<正>自2012年发现希格斯玻色子以来,大型强子对撞机还未发现新的粒子,但物理学家表示,人类仍然可以从希格斯粒子中了解很多东西。2012年,粒子在大型强子对撞机(LHC)27千米长的圆形隧道中相撞,产生了希格斯玻色子。希格斯玻色子是粒子物理学标准模型所预测的最后一个失踪粒子,也是将数十年前的一组方程组合在一起的关键所在。但在大型强子对撞机上还没有发现其他新的粒子,这为人类留下了许多标准模型无法解开的宇宙谜团。一场关于是否要     

《自然》:2012十大科学事件回顾

1.找到希格斯玻色子 掌声、欣慰、喜悦和泪水.2012年7月,世界上最大的物理实验正式发现了希格斯玻色子.欧洲核子中心的大型强子对撞机在经过500万亿次质子碰撞实验之后,物理学家可以很自信地宣布,他们已经看到了一个质量大约为125千兆电子伏特的玻色子.大约50年前,包括彼得·希格斯(Peter Higgs)在内的一些理论物理学家提出,希格斯场遍布于宇宙中并赋予某些粒子以质量,而希格斯玻色子则是希格斯场的具体化.令人失望的是,除了根据粒子物理学标准模型所作的预测,没有令人信服的线索揭示出希格斯玻色子的行为.如今,大型强子对撞机终于发现了根据超对称理论预测的粒子,这将大大拓展我们对亚原子世界的理解,并有助于对暗物质等神秘现象做出解释.     

希格斯玻色子的发现及其科学意义

自从首次预测希格斯粒子存在的50年以来．科学家终于宣布。世界上最期望已久的粒子终于在大型强子对撞机上被检测到。在瑞士日内瓦附近欧洲核子研究中心（CERN）的礼堂内,充满了经久不息的热烈掌声、口哨声和欢呼声。这一突破意味着解释所有已知粒子以及作用于它们的各种力的粒子物理学标准模型．可望得以完成。     

解读"对称破缺"的真谛——2008年诺贝尔物理学奖

南部阳一郎因发现亚原子物理学的自发性对称破缺机制而获2008年诺贝尔物理学奖.所谓自发对称性破缺,是指一个物理系统的拉格朗日量(概括整个系统动力状态的函数)具有某种对称性,而基态(系统的最低能阶)却不具有该对称性.他的理论涉及广泛领域,2008年9月欧洲核子研究中心启动"大型强子对撞机"实验,就和自发对称破缺机制密切相关,其基本理论模型--"标准模型"就包括南部的研究,对撞机实验的主要目的是寻找质量的起源.     

再有10年,中国CEPC将问世

<正>国际高能物理学界高度关注的环形正负电子对撞机(CEPC)又有了新进展。CEPC预计于"十四五"计划时期开始建设,并于2030年前竣工。CEPC计划是中国科学家提出的,旨在高能物理领域探索和理解希格斯粒子性质、宇宙早期演化、反物质丢失、寻找暗物质、真空稳定性等一系列未解的关键科学问题和寻找新的物理规律。同时,在其研究过程中也会采用最新的软件技术,     

日本试水主导国际直线对撞机

正要么现在争取,要么就夭折:高能物理学界正加快计划未来的研究设施。复兴的国际直线对撞机(ILC)将会成为下一个大型粒子物理学设施的角逐者。在将近20年的研究工作中,这个正负电子对撞机逐渐成形,而这多亏了科学、政治和财政发展的合力。支持者已经构思出ILC的阶段性建造方案。目前的想法是:它一开始会是一台250 GeV(而不是500 GeV)"希格斯粒子工厂"。因为较低的能量可以用较短的加速器来实现,估计这样造价就降低了40%之多,大约为50亿美元(不包括人工)。     

粒子物理学到了转折关头

●作为一种尚未被人知晓、然而却为其他粒子产生质量的希格斯玻色子,是完成并确认粒子物理标准模型所需的最后一个要素。希格斯玻色子将扩展标准模型希格斯玻色子的发现或将使标准模型更为完整。让我们暂且同意,大型强子对撞机(LHC)的探测器ATLAS以及紧凑型μ介子螺线管已经发现了一个质量约125千兆电子伏特(GeV)的希格斯玻色子。虽然     

物理学家计划搜寻成对的希格斯玻色子

正对于迫不及待想要探索新疆域的粒子物理学家来说,发现希格斯玻色子已经变成一种甜蜜中带着苦涩的成功。2012年,全球最大的原子对撞机——大型强子对撞机(LargeHadronCollider,LHC)探测到希格斯玻色子。这种人类长久以来苦苦寻找的粒子填补了基本粒子和基本力标准模型的最后一个缺口。但是从那时起,标准模型已经成功通过每一次测试,没有产生对物理新发现的一丁点暗示。现在,希格斯玻色子本身也许提     

物理学的新曙光

<正>大型强子对撞机上的粒子粉碎实验给出的结论正在逐渐得到证实，我们现在终于可以见识到这股新的力量及其背后更深层次的现实理论。物理学家哈利·克利夫这样说道。2021年1月20日，这是漫长冬日中的一个阴天。晚上6点30分，一个科研小组召开视频会议，共同度过了这个可能永远改变物理学的时刻。“我当时真的在发抖。”伦敦帝国理工学院的米蒂什·帕特尔（Mitesh Patel）说道。他和他的团队即将在瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究组织粒子物理实验室揭晓众人期待已久的LHCb实验的测量结果。这一结果很可能会在最后推翻标准模型——我们目前描述自然界基本运作法则的最佳模型。     

“肩上的宇宙”——访执掌世界最大型实验的女性科学家法比奥拉·吉亚诺蒂

从今年3月起，粒子物理学家法比奥拉·吉亚诺蒂（Fabiola Gianotti，下图）成为了欧洲核子中心（CERN）大型强子对撞机（LHC）超环面仪器（ATLAS）实验的主管。作为同类型最大的实验，ATLAS可望为我们解答宇宙的神秘。不久前，《新科学家》杂志采访了这位ATLAS新任女主管，话题从她执掌大型实验开始，直至对超越标准模型的新物理学的期待等。以下是这次访谈的内容。