Saturday, April 07, 2012

第一次听到“超弦”就是从他的报告里

第一次听说“超弦理论”是85年在物理所听他的报告,报告后我还挤上去问了问题,后来花了不少时间精力学习超弦。几年前在所里安排一个关于数值模拟计算的报告也是他间接推荐的,用在天体物理宇宙学数值模拟。他是令人尊敬的。

Friday, February 24, 2012

我对 planck 卫星关于引力波观测的猜测

几个月之内 planck 卫星或许会发表其对暴涨时期的引力波遗迹的观测结果。我先来猜一猜:普朗克卫星将探测到暴涨时期的引力波遗迹,从而证实 chaotic 永恒暴涨模型。如果说我对140 higgs 的猜测是90%的把握的话(那个我错了),我对普朗克卫星观测到引力波的把握是80%。 和国内几位宇宙学家谈起过此事,他们都认为 planck 不会看见引力波。让我们拭目以待。

Tuesday, October 25, 2011

higgs 粒子发现前的忐忑

现在是2011年10月25日, lhc 实验正在寻找 higgs 粒子,近几个月将会有初步结果出来,最终结果将会具有历史性意义,为此写下这段时间的忐忑心情。(此贴将不断更新)

我一直认为,higgs 粒子的质量是在(140-145)gev之间,而且粒子物理的标准模型完全正确,也就是说超对称之类的新物理不会在 lhc 上被发现。

higgs 中文翻译是希格斯或黑格斯。在7月份 grenoble 的欧洲物理学会高能会议上,atlas 和 cms 实验组报告了在143 gev 的标准模型 higgs 质量 m_h 的迹象,可是在随后8月孟买的轻子-光子会上,在有了更多数据后,该迹象变得模糊了。目前所有实验的总结果是:115 gev < m_h < 145 gev;标准模型的量子力学效应暗示 m_h 在80 gev 一百多也行。由于 higgs 迹象的不清,有人猜测或许 higgs 粒子不存在,或存在于最难找的地方如120 gev (那是超对称喜欢的)。现在 lhc 上找 higgs 的方法主要是看它衰变到两个 w 粒子(其中一个是虚的),然后 w 衰变到电子之类加上中微子。因为中微子不能直接测量,这种方法定出的质量范围会有较大误差。真正好的衰变模式是到两个 z 粒子,z 再衰变到电子之类,没有中微子,但是这个模式得数据量很少。有人在综合分析 atlas 和 cms 关于 h --> zz* --> 4 轻子的数据后,似乎仍有140 gev higgs 的迹象, 见:
http://blog.vixra.org/2011/09/18/higgs-days-at-santander/
当然我们还要等真正实验的结果。

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更新(11月6日):大家都在期待本月14日在巴黎开始的强子对撞机物理-2011会议,在16日有关于标准模型 higgs 的实验报告,还有一个理论报告,该报告的题目是没有标准模型 higgs 的情况。这个安排引发猜测,是不是 cern 已经知道 lhc 什么结果了?标准模型 higgs 不对?甚至是 higgsless?我不认为这样。上周 "nature"杂志有一则新闻关于 higgs,提到有分析 lhc 实验的人说 higgs 质量在120 gev。也有传言说有三轻子事例的超对称现象有信号出来。 最近在 arxiv 上有几篇超对称的理论文章,这几篇章文章都讨论 effective susy 做为新物理的可能性。

在超对称方面,我觉得 r-宇称破坏现在应该被认真考虑,信号应该是多喷驻加多轻子事例,没有大的丢失能量。这和所谓的 lepto-quark 的物理是一样的。

最后说一点儿 higgsless,很多人不知其为何物。technicolor 就是最简单的 higgsless 模型。

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更新(11月20日):强子对撞机物理-2011会议关于 higgs 的报告推迟了一天,似乎是因为 opera 超光速中微子的实验,那个实验在时间测量的系统误差方面作了改进,重复实验,结果仍然超光速。我是不信的,“超光速”应该有其他原因,理论上也没有令人满意的解释。

关于标准模型 higgs,结果和我期望的相反。经过 cms 和 atlas 两个实验组对其在夏天的报告的数据(2.3 fb^{-1})结合,higgs 的质量上限已经下到141 gev(95%的置信度)。我期望的(140-145)gev 区间快关闭了,有些失望。(如果以90%的置信度,上限就是132 gev,我的预期完全错误)。实验上仍看到一些信号超出,疑为 higgs 所造成,否则的话,其上限将是125 gev。

这次会议上 lhc-b 实验倒是有些新物理,d 介子衰变到 k+k-,pion+- 的 cp 破坏好像大于标准模型预期,3.5 sigma。我也不相信这会是真的新物理。

关于 higgs 的质量,还要等分析更多数据后的结果,这次结合的结果仅是基于轻子-光子会上结果用到的数据。现在 lhc 已经有5
fb^{-1} 的数据了。

下个月12-16号,cern council week 上,higgs 的结果应该有较大更新。有传言说两个实验组从 zz*-->4l 上一个没看到一个看到微弱地 higgs 的信号。现在有实验家说 higgs 质量是119 gev。

等吧。

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更新(12月2日):higgs 的传言仍是以及120 gev 为主,也有说是没有迹象(听说参加 lhc 实验的人说 h-->2光子没有 higgs 的信号)。我喜欢的140 gev 甚至141 gev 仍然成为可能,见路透社报道:
http://www.reuters.com/article/2011/11/24/us-science-higgs-idUSTRE7AM2FF20111124
和 vixra 网站:
http://blog.vixra.org/2011/11/21/where-does-higgs-fit-best/

在理论家的眼里,目前的实验状态给出的信号因其偏见不同而不同。喜欢超对称的人看到了120,反对人择原理的人看不见140。141是高能标超对称的唯一预言(误差为1 gev),而高能标超对称就必然意味着要用人择的观念理解电弱能标。如果你既反对电弱标度的超对称,更反对人择原理的话,那你就会倾向于认为没有 higgs。

在本月13号,在 cern 的会议上将有关于 higgs 的新实验结果宣布,上午是 dg 的报告,内容是传达寻找 higgs 的情况,下午2:00是 atlas 和 cms 的正式报告,关于标准模型 higgs 的新结果。对应的北京时间大概是晚上11:00。

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更新(12月3日):终于有传言出来:higgs 质量在125或126 gev,通过双光子过程看到,见 gibbs 的博客,
http://blog.vixra.org/2011/12/02/higgs-rumour-anaylsis-points-to-125-gev/
其主要点是从各方面看这个传言像是真的,因为 cern dg(总主任)说这次的结果仍将不是决定性的,如果是140 gev,数据量够应该能一锤定音,但是125处现在的数据量不足以有5个标准偏差的精度;而且140处能用 zz*-->4l 看的很清楚,而125处则不行,125处恰好只能用双光子。所以各种传言一致,但是这似乎和费米实验室 tevatron 上的实验不一致。

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更新(12月6日):现在的传言是 atlas 的125 higgs 信号已经到达3.5标准偏差。

对于目前的传言,也是有疑点的:gibbs 在其博客上,还有一位叫 dude 的跟帖,还有同事 yq 都说过。那就是为什么2.3/fb 的数据没有信号,而5/fb 就有明显信号?数据只是多增大了一倍多。3.5个标准偏差是否太强了?我突然想起几个月前在北大听到从双光子道看见120多 gev 的 higgs,是 atlas 的一个小组分析的。记得 lep2 上的 aleph 曾分析出 higgs 质量为了115 gev。如果115不可靠,125就可靠?我当时问 tao 哥的看法,他嗤之以鼻地说,lhc 上的光子多极了,谁知道它们是哪里来的。

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更新(12月7日):毕竟 cern 的 dg 说了这次还是不能给出 higgs 存在与否的结论性判定,那么 higgs 不存在对应什么样的理论?这里要分两种情况。一是 higgs 机制本身是错误的;二是 higgs 粒子非常重,现在看不到。

其实从一开始就有理论家探讨希格斯机制不对,而研究规范对称明显破缺的情况,以前吉林大学就有一位这样做的教授。这类探讨的主要理由之一是希格斯玻色子从来没有被观测到过。其实这是没有道理的,因为希格斯现象已经确实被看到了,在超导现象里。超导现象就是一种黑格斯机制:在超导体内由于声子的作用电子对儿束缚在一起成为一个玻色子,即库伯对。在足够低温,玻色子会发生凝聚,这样就在超导体内形成一个新的真空,这个真空破坏电磁对称性,因为库伯对带有两个电荷。电磁对称性自发破缺导致光子带有质量,光子就会衰变,如同 w 或 z 有质量要衰变一样。这样超导体内就没有电磁场,这就是迈斯纳效应,光子质量分之一就是超导体的表面穿透深度。库伯对就是黑格斯场。

所以,在自然界黑格斯机制的确发生过。那么为什么电弱对称性就不能自发破缺呢?这是一个很漂亮的思想啊!但问题是,在这种情形下什么是对应的声子场呢?一种答案就是由一种超强的新相互作用产生,这种超强相互作用使得一些费米子两两结合成对,导致类似于超导现象的电弱对称性自发破缺机制。这就是所谓的 techni-color 理论。在这个理论里,希格斯粒子质量约为600多 gev。这样的理论就是我上面说的第二种情况,即黑格斯粒子很重。

我老跟人说的一件事是,如果我学完了标准模型,但是别人都不告诉我标准模型之后所有的实验和理论进展,让我猜下一个阶段粒子物理的方向,我肯定会说是 techni-color。这是一个具体实现对称性自发破缺很漂亮的想法。

可惜的是,对标准模型的精确检验实验,并不倾向于 techni-color 理论。该理论本身也存在诸多问题,如费米子质量产生问题,特别是那么大的 top 夸克质量如何产生。在你不断涂改这个漂亮的模型时,你就发现你把美女改成张飞了。

即便不用新的相互作用产生动力学的电弱对称破缺机制, 我们也可以设想宇宙中存在一种(或多种)标量场,这些场导致电弱对称性自发破缺。至于这种场是怎么来的,可以留待以后讨论。比如在超对称理论里,玻色子和费米子相伴出现,玻色子是基本的,本来就有,可以考虑用作黑格斯场。总之有了这样的任意性,黑格斯粒子可以轻下来。

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更新(12月8日):在六十年代末,weinberg、salam 把 higgs 机制应用到电弱对称自发破缺时,higgs 场仅仅就是作为基本的标量场来用的,并不管它是怎么来的。在完整确立标准模型后,higgs 的根源问题才指引着大家走到现在。在那时,higgs 标量场其实是被看作某种有效场来看待的。这种做法是源于 j. goldstone。从凝聚态物理中借用过来(整体)对称性自发破缺的思想后,nambu 也是用类似于库伯对的想法讨论问题。在nambu 之后,goldstone 引入标量场有效地取代了库伯对,使得很多问题大为简化。这就是为什么有 nambu-goldstone 玻色子(甚至只被简称为 goldstone 玻色子)、nambu-goldstone 定理等术语。

前些天有些博客上热烈讨论 salam 该不该得诺贝尔奖的问题,似乎 weinberg 才是建立标准模型最主要的人。其实这种看法都是物理不好的人才会有的。在建立标准模型得过程中,最重要的思想、最重要的做法就是用杨振宁-mills规范对称原理来统一理解电磁相互作用和4费米子弱相互作用。这是极为不平凡的看法。这种看法只在当时极少的几个人头脑里才可能有:杨振宁、mills、julian schwinger、glashow、gell-mann。而真正有的只是 schwinger 和他的学生 glashow,后者后来写出了正确的电弱统一规范对称结构。我相信这也是 gell-mann 很推崇 glashow 的原因。(glashow 推崇的人是 andy cohen,不是现在普林斯顿或哈佛的人哦。cohen 做过 effective susy 和 little higgs 等。)weinberg 和 salam 的工作就是把 higgs 等人发现的自发对称破方法用于 glashow 的模型,这样整个理论-标准模型-就完整了(当时还是有反常哦)。当然 weinberg 功底深厚是量子场论的最大家之一,可能只有 witten 不比他差。话又说远了。

希格斯粒子也被叫做上帝粒子。

“上帝粒子”的叫法源于 leon m. lederman。他被认为是当代最好的高能实验物理学家,有好几项一流的工作,其中一项让他和同事们获诺贝尔奖。他写了一本非常值得一读的高能物理科普,就叫《上帝粒子》。这个名字容易令人误解,但是我觉得它或许有意味,它有终极的意思,即这是粒子物理能发现的最后一个粒子。(如果不久 lhc 上发现很多新粒子,那这个名字就确实不该叫。)

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更新(12月10日):在 yahoo! 的新闻里有一则联合通讯社的文章,明确说这次新结果将把 higgs 的质量上限下移。我估计这个上限将变为 130 gev。很多人会认为这是 tev 超对称,对我则是难以理解的事,tev 超对称是如此难看。难道这个125会意味着更深的事情?

所谓 higgs 机制是指规范对称性自发破缺时,相应的整体对称性自发破缺产生的零质量标量粒子被矢量场吃掉,使得原本是零质量的矢量场在破缺后得到质量。这是 peter higgs 和 francois englert、robert brout 分别发现的在1964年发现的(后一组人不是按姓氏笔画排名的)。还有一组人:guralnik、hagen 和 kibble 稍后也有类似的工作。他们都是基于 nambu 关于整体对称性自发破缺的工作。这些都是在相对论量子场论框架下做的。在更早之前,anderson 关于超导的工作已经有了一样的物理结果,只不过是在非相对论的情况下。这些我在前几天说过。nambu 就是从 anderson 那里学的。令我奇怪的是,为什么 nambu 自己没有做出这个发现。这个机制可以不仅仅限于规范对称性自发破缺的研究,还可以用来讨论其它对称性的自发破缺。李政道先生就用这个机制首先提出 cp 自发破缺。

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更新(12年1月8日):12月13日,atlas 和 cms 公布了结果:标准模型 higgs 质量范围只剩下:116-130 gev,有可能在125 gev(atlas 2.3、cms 1.9标准偏差)。

实验上如何理解以前的143 gev?按照 gibbs,未必是测错了或统计涨落,可能是因为 ww* 道的误差太大,造成一些误判所致。 理论上,如何理解这个125?我一直觉得困难。虽然标准模型仍然很好地成立,但这个质量既不是低能超对称,也不是高能超对称所能简单理解的。我想这还是意味着在不很高的能量标度会有新物理出现,根据稳定性要求应该在10^{11} gev 以下。

Wednesday, January 06, 2010

好像有一个伟大的工作

http://arxiv.org/abs/1001.0785

Saturday, December 19, 2009

电子质量的电磁起源问题

带电粒子可以是无质量的。但是其自身电场不是可以导致其内禀质量吗?电子的质量是否有电磁起源?在费曼的讲义中专门有一章,结果是没有什么结论。我一直很看重这个问题,我认为这个问题是任何喜欢物理的学生都应该问和想的问题。

如果只是在经典的非相对论的框架内看此问题,电子质量和其电场能量互相独立,没有上述问题。但是如果在经典的相对论的框架内看(电磁学本质上是相对论的),根据质能关系,电场的能量总可以折合成(一部分)电子静止质量。根据库伦定律,这个电磁质量与电子的半径成反比。如果电子半径为零,则此电磁质量是无穷大的,所以说有线性发散。根据实验测量的电子质量 m=0.51 百万电子伏特,如果认为此质量全部起源于电场能,电子的半径大概是 10^{-13} cm。目前实验测的电子的半径 r<10^{-17} cm,所以电子质量的纯电磁起源肯定是不对的。

但是,即使在 10^{-13} cm 的尺度上,还有一个重大的事情没有被考虑!那就是量子力学。因为量子力学告诉我们在真空中可以很短暂的出现一对儿正负电子和一个光子,这个现象发生的尺度为 h/mc ~ 100x10^{-13} cm。所以在 10^{-13} cm 的尺度上,我们早就应该用量子力学来考虑电子质量了,只用上面说的,直觉的,经典物理的图像是不够的。

注意这里的量子力学效应是不可避免的。假设,虚拟语气,在另一个宇宙里电子的质量是 0.51 千电子伏特,假设它的纯电磁起源,那里的人们得到电子的半径为 10^{-10} cm,但是这时量子力学效应要出现于 100x10^{-10} cm。

所以,无论如何,我们都要用量子的相对论的框架来考虑电子质量问题。1939 年 v.f. weisskopf 用相对论量子力学计算了虚的正负电子对儿和虚光子贡献的电子质量,发现此贡献抵消了上面由电子电场能量算得的电子质量!抵消完后,与电子半径成反比的电磁质量项没有了,剩下的电子电磁质量项是对数依赖于电子半径的(如果认为电子有半径的话)。从“发散“这个问题的角度看,前面说的线性发散被抵消掉了,也就是说,电磁相互作用不会导致电子质量有线性发散。

最后我们来看看对数性的电子电磁质量项。它的形式约为 alpha/4 m ln(mr),其中我用到自然单位。从这一项的形式我们就可以推断,电子的质量主要是非电磁起源。因为,如果 m=0,则上述对数性的电子电磁质量项为 0;只有 m 不等于 0,电子电磁质量项才不是 0。所以电磁质量只能看作是在非电磁起源质量基础之上的修正项。另外,即使 r 很小在这里也不是大问题,因为质量修正对 r 的依赖仅是对数的。回到我一开始的说法,带电粒子可以是无质量的,即 m=0,电磁作用修正也为 0。

这些相对论量子力学的结果与现代量子场论的结果一致。我们知道电子质量起源于 yukawa 相互作用,电子质量会有对数发散,dirac 费米子在 0 质量的时会出现手征称,该对称保护它自己,不让它自己得到质量。


参考文献:

[1] 费曼物理学讲义,第二卷 ,第28章。

[2] 卢昌海,质量的起源(二),

http://www.changhai.org/articles/science/physics/origin_of_mass/2.php

[3] h. murayama, arxiv:0709.3041.

Tuesday, February 24, 2009

有关暗物质的小道消息

fermi/glast卫星好象否定了egret小组观测到的伽玛射线的超出,也就是说egret看到的暗物质被否定了。egret在05宣布其对银河系 中心附近光子的观测,发现10-50Gev能量的光子多出来,应该是65Gev的参加弱作用的暗物质粒子湮灭到光子的所为。更为灵敏的 fermi/glast卫星上天后,将对egret的结果给出判决。现在已有消息传出,他们没有看到egret的结果。

清华大学/高能所一个小组用自己的方法从新分析了wmap的原始数据,得到一些新结果。暗物质的丰度和其它实验符合得更好;特别是所为四极矩没有了。后者意味着宇宙暴涨图像完全没有问题。

大家已知atic和pamela实验观测到的正电子超出,既可以用暗物质、也可以用某些天体物理现象来解释。云南大学的研究者说他们早在2000年就知道卫星实验看到的正电子超出可以用脉冲星释放的正电子来解释。


Friday, October 31, 2008

新物理喽!又来新物理喽!

昨天,Tevatron 上的CDF公布论文,发现了多mu子反常事例。Tevatron质子-反质子对撞中产生两个以上的低横动量muon(mu子)的事例和目前理论的计算不一致。这是CDF合作组很仔细的一项研究。此结果有可能意味着有新物理。更仔细的解释见:
http://dorigo.wordpress.com/2008/10/31/cdf-publishes-multi-muons/

http://www.math.columbia.edu/~woit/wordpress/

这到底是真的新物理信号吗?如果不是,那么如何用已知物理来解释它将是不容易的。其实在宇宙线实验中早就存在类似反常。早在LEP实验运行前,ALEPH合作组观测宇宙线本底时就发现有上百个mu子穿过该探测器的事例。但这些事例从来没有得到过解释。

如果这是真的新物理信号,理论解释似乎不会简单。有人说nima arkani-hamed及其合作者最近关于暗物质的新理论和此事有关。我们正在看他们的文章。近二十年来,声称新物理(包括higgs)的实验不断,就像所谓革命一样,一会儿就来一次,总共不下20起,最后都消失了。比如以前较热的muon g-2因子的测量,据说现在也和理论预期只有1.7个标准偏差了,也就是说基本不成其为新物理的证据了。