高能物理研究現狀分析論文

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摘要:文章簡要介紹了中國科學技術大學近代物理系的高能物理唯象理論和實驗研究的發展現狀,并總結了最近幾年中取得的進展情況.

關鍵詞:高能物理，TeV能量對撞機，標準模型精確檢驗，粒子探測技術，標準模型外的新物理

HighenergyphysicsintheDepartmentofModernPhysics,UniversityofScienceandTechnologyofChina

MAWen\|GanWANGXiao\|Lian

(DepartmentofModernPhysics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China)

AbstractAnoverviewisgivenofthedevelopmentofhighenergyphysicsintheDepartmentofModernPhysics,UniversityofScienceandTechnologyofChina.Wesummarizetheprogressoverrecentyearsinbothphenomenologytheoryandexperimentalresearch.

Keywordshighenergyphysics,TeVenergycolliders,precisetestoftheStandardModel,particledetectiontechnology,newphysicsbeyondtheStandardModel

1引言

高能物理研究當前仍然是基礎物理科學的最前沿，被認為是最重要的學科之一.它深刻地影響著人類對物質世界認識的基本觀念.在基礎理論研究方面，高能物理在不懈地探討微觀物質結構及其相互作用、質量起源、時空本性等基本理論問題，這些研究又和宏觀宇宙學之間存在很強的互相推動作用.

高能粒子對撞機是研究物質最基本的結構和相互作用規律的重要、有效的工具.對高能物理的研究和其研究手段的每次重大突破都會帶來物理學新領域、新方向的發展,甚至新的學科分支的產生.它對于加深人類對物質世界更深層次基本規律的認識有著重要意義.即將投入運行的TeV能量大型強子對撞機（LHC）和計劃建設的國際直線對撞機（ILC）便是驗證高能物理理論的極好的大型設備.

隨著新一代的超高能量的對撞機實驗數據的獲取，高能物理的研究將面臨著又一次新的重大突破.理論上預言的黑格斯粒子和可能的新物理信號將會被發現.這些將會是本世紀初物理學的重大進展.粒子物理的發展涉及了多種學科和前沿技術.粒子物理實驗科學實際上與加速器技術、粒子探測技術等近代物理技術密切相關.實踐證明，粒子物理實驗技術的創新對國民經濟領域中諸多技術問題的解決具有重大作用.

下面我們對中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）近代物理系的高能物理研究發展現狀進行兩方面的介紹：一是高能物理唯象理論研究方面；二是高能物理實驗研究方面.

2高能物理唯象理論研究

高能物理唯象理論研究始于1985年，當時中國科學技術大學參加了丁肇中先生領導的DESYMARK\|J實驗和歐洲核子研究中心L3實驗的國際合作研究.我們的唯象理論研究就是當時針對大型正負電子對撞機實驗中的現象學進行研究而發展起來的.從那時起，其研究課題就一直與國內外的大型高能物理實驗現象學緊密結合.其研究工作的特點是：注重研發粒子物理理論研究所需的計算物理新方法和計算程序，建立了自己獨特的高能計算物理實用軟件環境，目前該實驗室擁有先進的量子場論復雜計算的技術和能力,擁有研究室自己的高能物理理論計算和數據分析的PCFARM，并建成了DZEROSAMGRID的D0USTC節點，使我們的網格節點正式成為D0合作組標準MONTECARLO事例產生主要節點.因而，該實驗室在現象學理論研究和物理分析方面具有很強的國際競爭力.

近年來，粒子物理唯象理論研究室的理論研究課題密切結合他們參加的費米實驗室D0組的實驗，大型強子對撞機LHC上Atlas組的實驗和未來的國際直線對撞機ILC上實驗所涉及的TeV物理現象學，集中研究標準模型理論的精確檢驗和新物理信號的探索.重點研究內容涉及:Higgs物理、Top物理、超對稱理論現象學、超引力模型現象學、額外維模型和最小Higgs模型現象學、超高能量下CP破壞來源研究等.考慮到未來對撞機上尋找新粒子和深入了解電弱破缺機制的物理實驗中所處的重要地位，我們從研究如何實現高精度量子修正的數值計算方法問題入手解決對撞機物理現象中的復雜理論計算問題.重點解決的計算技術包括：高效率的多體末態（N≥3）蒙特卡羅相空間積分技術；費曼圖中不穩定粒子的處理問題；在相空間邊界上多點積分函數(n≥5)數值計算的有效方法；紅外發散的解析處理；帶復數質量的粒子的重整化參數和單圈積分函數的計算方法等.這些問題也一直是粒子物理現象學中的幾個研究重點和難點問題.在這些研究中，他們已經在單圈圖計算中，在不穩定粒子的計算處理方法上以及在多點(n≥5)標量、矢量、張量積分函數的解析和數值計算上取得了進展.

該研究室自2001年以來,在國際國內重要學術期刊上發表SCI收錄的涉及唯象理論研究的論文58篇，被引用達300余次.作出了一批為國際同行重視的研究成果.近年來該研究室取得了以下突出的研究成果：

1997年，在國際上首先解決了四點積分函數在相空間邊緣發散點的數值計算困難［1］.在國際上首次解決了三體末態過程的單圈階幅射修正計算中的五點標量和張量積分的計算問題，完成了關于在直線對撞機上對H\|t\|tYukawa耦合精確檢驗的理論研究［2］.精確研究了強子對撞機上超對稱chargino/neutralino伴隨產生過程，以及tb-H-產生過程的NLO階QCD修正效應，為LHC新物理尋找提供了理論依據［3］.在最小超對稱模型下對pp→H±bc+X味道改變過程的精確計算,首次發現在squark的混合機制下，超對稱QCD對H±bc耦合的修正可以使該產生過程的截面大大提高，這使得該過程成為發現帶電Higgs粒子和味道改變效應的重要反應道［4］.T宇稱守恒和不守恒情況的最小Higgs模型下γγ→tt－h°+X過程中的新物理效應的計算和討論［5］,得到了可能在LC對撞機上觀測到LH/LHT的效應，或者給出對LH/LHT參數更嚴格的限制［6］.完成了四體、五體末態相空間高精度積分程序的發展，實現了不穩定粒子處理技術，六點單圈標量、矢量、張量積分函數的紅外分離及正確的數值計算方法和程序，并通過了若干正確性檢驗.在此軟件環境下完成了在帶電或中性Higgs尋找過程中，可能測量到的γγ→tt－bb－和e+e-→W+W-bb－過程的QCD輻射修正計算工作.這為Higgs粒子尋找和top物理有關理論的精確檢驗提供了理論依據［7］.

唯象理論組在國際上首先提出了在強子對撞機上通過超對稱標量中微子雙輕子共振態，探測R宇稱破壞的實驗物理分析方案，并計算了其QCD輻射修正［8—12］.該成果被Tevatron的兩個實驗合作組CDF和D0先后作為其探測雙輕子高質量共振態的主要物理動機和數據分析依據在發表的論文中引用.費米實驗室FermilabToday對這一研究成果進行了報道.該研究室對這一理論與實驗結合的研究，不但在唯象理論研究方面，推動了對TeV強子對撞物理過程中QCDNLO效應的精確把握,而且在實驗物理方面，促進中國科大D0組在徑跡探測器觸發方法研究、高亮度環境下高能電子/光子鑒別、量能器刻度等研究中做出了成果.該研究還促進了高能數據網格計算節點建設，該室建成了中國科大D0USTC網格計算機群，并為D0合作組產生106模擬事例,為中國科大高能物理研究提供了1010以上的網格數據分析與處理能力，從而確保最終物理成果的獲得.這些工作得到了D0合作組以及費米實驗室的高度評價.韓良教授成為D0合作組AuthorshipCommittee7人委員會成員，負責審查合作組各單位成員作者資格.劉衍文博士成為費米實驗室首批InternationalScientistFellowship成員.第28次中美高能物理合作聯合委員會會議，確定費米實驗室繼續支持中國科大D0實驗物理研究.

3高能物理實驗研究

高能物理實驗研究始于1973年，在楊衍明、陳宏芳教授領導下，為云南高山站宇宙線測量研制多絲正比室.之后先后參加了德國DESY的MARK\|J實驗，是CERNLEP的L3實驗的發起單位之一.與此同時，被接受為LHC大型強子對撞機的CMS合作組和日本KEK的B介子工廠Belle合作組的成員.與瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETHZ）合作成立了高能物理聯合研究所.1991年正式參加中國科學院高能物理研究所BES合作組，成為國內大學中最早投入國內高能基地研究工作的BES成員，相繼參加了BESII的物理分析和BESIII的建造與物理工作.2001年10月又被接收為美國BNL的STAR合作組成員.

3．1為STAR合作組研制的飛行時間探測器和相對論性重離子碰撞（RHIC）物理研究

多氣隙電阻板室（MRPC）是上世紀90年代后期歐洲核子研究中心（CERN）的LHC－ALICE實驗組首先發展起來的新型探測器.受國家自然科學基金委員會委托，該研究室于2000年8月率先在國內開展MRPC研制.先后成功地研制了多種結構的MRPC，其中6氣隙的MRPC時間分辨為60ps，對最小電離粒子的探測效率好于95％，達到國際先進水平；雙層結構10氣隙的MRPC，時間分辨好于50ps，探測效率大于99%，達到國際領先水平.并成功地研制了第一個基于MRPC技術的STAR飛行時間探測器原型TOFrTray，性能指標達到：平均時間分辨為85ps，探測效率好于90％，好于設計指標.并于2002年10月裝入STAR探測器，參加了2003年度氘-金核（質心能量為200GeV/核子）和2004年度金-金核（質心能量為200GeV/核子及62.4GeV/核子）碰撞實驗，有效提高了STAR探測器的粒子鑒別本領，對π/K分辨的動量區域由原來的0.6GeV/c擴展到1.6GeV/c，對π,K/p分辨的動量范圍由1.0GeV/c擴展到3GeV/c.利用MRPC-TOF的數據和時間投影室帶電粒子的電離能量損失的數據發展了一種可以鑒別高動量區π介子和質子的新技術，把STARπ探測器介子和質子的鑒別橫動量區間擴展到12GeV/c［13］.是第一個運用MRPC技術成功運行于大型高能核核碰撞物理實驗的大面積飛行時間探測器，使一些原來很難開展但有重要意義的物理課題有可能進行，并獲得了一些重要的物理結果.2006年4月，用于RHIC-STAR-TOF探測器的MRPC通過批量生產標準和標準的最后評審.MRPC生產穩定，質量越來越好，性能達到指標要求.RICE大學還專門做了報道.圖1，2分別給出了200GeVAuAu對撞中TOF的強子鑒別和電子鑒別能力.

利用飛行時間探測器得到的主要物理成果有：基于TOFr粒子鑒別的強子譜和Cronin效應的研究［14］.首次得到在氘-金碰撞與質子-質子碰撞中重味夸克衰變的電子譜.結合低橫動量D0粒子譜和高橫動量單電子譜，在世界上首次給出了氘-金碰撞中雙核子質心能量為200GeV/核子下每核子－核子碰撞中粲夸克產生在中快度區的微分截面［15］.開展帶電強子橫動量譜的研究.通過測量帶電強子（π±,p,p－）的單舉不變產額譜（0.3＜pT＜12GeV/c），精確測量了粒子的核修正因子Rcp，反粒子/粒子的比率以及p/π的比率等，觀察到在中橫動量區間重子相對介子有增強現象，這可以用部分子的結合模型來解釋，而在高橫動量區間，重子產額與介子產額有相同大小的壓低.這一現象揭示夸克和膠子在QGP中的能量損失可能與微擾QCD能損模型的預言不符，為高能部分子在QGP中的能量損失機制提供了全新的實驗現象，有待進一步研究［16］.

對氘、氦\|3以及它們的反粒子在中橫動量區間的不變產額、橫動量譜和橢圓流的測量和研究，首次得到了輕核的結合參數B2和B3，發現B2與B3具有相似的值，表明氘、氦\|3以及它們的反粒子有相似的freeze\|out時刻.發現在不同中心度對撞中，輕核的結合參數和π介子的freeze\|out體積成正比.發現氘核和反氘核的橢圓流近似服從組分夸克數的標度不變性，在實驗上驗證夸克融合模型.首次測量了低橫動量的反氘核的負值橢圓流，這是RHIC上觀測到的第一個負值橢圓流，發現重粒子（氘）的負值橢圓流與大徑向流的理論模型相吻合［17］.開展關于重味夸克產生截面和粲介子D0半輕子衰變道的研究.完成了200GeV金金碰撞中D0介子以及粲粒子半輕子衰變到的電子和μ子的數據分析工作，首次在重離子實驗中通過c→μ+X道確定粲夸克(ccbar)總產生截面.首次在重離子碰撞實驗中證實粲夸克截面相對于兩兩碰撞數的標度不變性.首次利用STARTOF探測器測量粲粒子半輕子衰變的單電子譜碰撞中心度的依賴關系.首次利用STARTOF探測器觀測到單電子譜壓低，測量重味夸克能量損失.首次觀測到單電子譜的熱力學性質與集體運動流效應不同于輕強子［18］.對粲粒子及其半輕子衰變的單電子橢圓流進行了實驗測量和唯象理論探討.理論上給出了D介子及其單電子橢圓流，并預言底夸克粒子的集體運動流效應很小［19］.完成了RHIC能區粲夸克產生截面和粲粒子半輕子衰變道的研究.2007年8月23—25日在QCD相變與重離子碰撞物理國際研討會上匯報了該項工作.受到QuarkMatter2008會議組委會的邀請，于2008年2月4日—10日在印度Jaipur舉行的第20屆國際超相對論核-核碰撞(夸克物質2008)學術大會上做了題為《OverviewoftheCharmProductionatRHIC》的大會報告［20］.進行奇異共振態強子φ→KK的不變質量的重建研究.利用STAR實驗數據，通過僅用TPC信息和聯合TPC＋TOFr信息（即要求其中的一條帶電徑跡由TOFr所識別）的比較研究，進一步證明了，結合TOFr和TPC信息可以實現對帶電徑跡的高精度鑒別，從而大大提高對奇異共振態強子不變質量重建的分辨率.完成了200GeV金金碰撞中奇異強子橢圓流的中心度依賴性研究，系統測量了KS0,Λ,Ξ,Ω粒子的v2（橢圓流）.結果表明，在低橫動量區，這些強子的v2符合流體力學的預言，表明早期熱化可能在RHIC形成.在中間橫動量區，v2符合組分夸克數標度性，表明重組合是強子形成可能的機制，解禁閉可能在RHIC已經形成.中心度的依賴關系表明，v2沒有初始坐標空間各向異性的標度性.集體運動在較中心碰撞中較強，熱化有可能在中心碰撞中達到［21］.v2隨碰撞系統的大小變化的依賴性將幫助我們驗證早期熱化這一假設.對200GeV銅銅碰撞中KS0,Λ粒子的v2也進行了測量，并和200GeV金金碰撞的結果進行比較，結果表明，在銅銅碰撞中，KS0,Λ粒子也符合組分夸克數標度性，但是熱化沒有達到.

3．2與日本高能加速器研究機構（KEK）B介子工廠Belle實驗的國際合作

Belle探測器于1999年開始取數，2000年夏，我們從D0→Kπ+道的測量開始正式參與物理分析工作,以后還選取了帶電D*對產生的連續過程,用D*+→D0π＋衰變產生的軟π介子標記D0或D－0［22,23］.給出了當時世界上最為精確的實驗結果，并被2006年粒子物理數據庫（PDG）收錄.我們關于D0-D－0混合的第二項研究課題是D0→Ksπ+π-道的含時達里茲分析測量，該過程的優點是可以直接給出混合參數x，y和強混合角δ［24］.

3．3與中國科學院高能物理研究所的北京譜儀（BES）實驗的合作

中國科學技術大學自1991年以來一直參加中國科學院高能物理研究所的北京譜儀(BES)實驗，在BESI和BESII上開展了物理研究，在BES3建設中，中國科大是國內唯一參加BES3硬件設計和建造的一所大學，如端蓋TOF探測器的預研和建造，亮度監測器的設計和建造以及亮度監測系統的電子學部分，TOF和μ探測器的讀出電子學系統、TOF觸發子系統、TOF監測儀的電子學和BES3時鐘系統.

從1991年至今，積極參與BES物理分析研究.如BES1-BES2的物理：Tau的米歇爾參數的測量，ψ的幾種VP和PP模式衰變道的測量和研究，J/ψ的輻射衰變，J/ψ→γρρ,γωω的分波分析.在BES粲物理的研究方面，通過對J/ψ的輻射衰變道J/ψ→γω和J/ψ→γωω的分波分析,仔細研究了這些反應道中的強子共振態結構和分支比測量，發現了ω不變質量譜的近閾增強和可能存在的X（1812）態［25］.

3．4ALTAS/LHC強子對撞實驗國際合作

我們與中國科學院高能物理研究所計算中心、中國科大計算中心合作，在中國科大搭建了網格計算（LCGTier3）的工作平臺的雛形.同時，我們與美國密歇根大學ATLAS合作組也開始了ATLAS物理分析合作工作，派人參加ATLAS端蓋部分muon子漂移室安裝、測試和運行維護工作.2006年，蔣一教授、韓良教授參加國家自然科學基金委員會重大重點國際合作項目：“ATLAS強子對撞物理研究”，正式成為ATLAS合作組成員.

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