“百人计划”在岗期间工作汇报

中微子质量与宇宙的物质-反物质不对称邢志忠（高能所）中微子之父中微子理论之父W.Pauli(1930):概念提出E.Fermi(1933):Beta衰变理论E.Majorana(1937):中微子的反粒子即其自身中微子振荡之父B.Pontecorvo(1957):电子—反电子中微子振荡S.Sakata等人(1962):电子—Muon中微子振荡中微子新贵NewPrizeisHopefulR.Davis:太阳中微子失踪探测M.Koshiba:超新星1987中微子探测轻子谱与诺贝尔奖eJ.J.Thomson1897J.J.Thomson1906获奖C.L.Cowan等1956F.J.Reines1995获奖J.C.Street等C.D.Anderson等1936G.Danby等1962M.Schwartz,L.M.Lederman,J.Steinberger1988获奖M.L.Perl等1975M.L.Perl1995获奖K.Kodama等2000e(正电子:理论预言P.A.M.Dirac1928;实验发现C.D.Anderson1932;获奖1936)花絮:带电轻子的Sarma-邢“定理”我本人的贡献:将2114更正为2014，时间缩短了100年！1995年底印度物理学家Sarma率先发现了“39-yeargap”:实验突破与后果K2K加速器Muon中微子长基线振荡实验（E~1.3GeV,L~250km）。参数空间与Super-K的结果吻合。(02)突破之一:大气中微子(Super-K1998)大气Muon中微子失踪，主要转化成Tau中微子。模型无关的间接证据与直接信号（见下图）。天然中微子振荡得到人工中微子振荡的支持。C.Sagi/ICHEP04C.Sagi/ICHEP04太阳电子中微子失踪，主要转化为Muon中微子。与标准太阳模型无关的证据令人信服（见下图）。天然中微子振荡得到人工中微子振荡支持:KamLAND反应堆反电子中微子振荡实验（E~5MeV,L~180km）。参数空间与SNO的结果吻合。(02)突破之二:太阳中微子(SNO2001)H.Deng/ICHEP04标准太阳模型(SSM)得到SNO强有力的支持,至关重要.中性流零点你相信中微子振荡现象的存在吗？不同的中微子源不同的中微子种类不同的中微子束能量不同的中微子传播距离不同的与模型无关的证据不需要假设Exotic新物理不需要破坏基本对称性不需要更改太阳模型不需要引入新粒子不需要微调参数中微子振荡—只要三代中微子存在静止（非简并）质量中微子振荡—唯一有坚实的实验证据的超出标准模型的新物理(但不影响它迄今已被证实的部分)中微子再次成为主流前沿热点之一在美国斯坦福大学高能物理数据库SLAC-SPIRES键入“FindTitleNeutrinosandDate***”得到以上结果02004006008001000120014001997199920012003论文数目中微子理论:大师Witten如是说普遍问题—费米子质量起源E.Witten—OpeningTalkatNeutrino02(hep-ph/0006332)哲学家M.Jammer强调(1997):“…theconceptofmass…entangledwithseriousuncertainties&perplexingdifficulties”近年来中微子唯象学综述文章选摘(1)中微子振荡：S.M.Bilenky,C.Giunti,W.Grimus,Prog.Part.Nucl.Phys.43(1999)1-86中微子绝对质量：S.M.Bilenkyetal,Phys.Rept.379(2003)69–148中微子模型构造：H.Fritzsch,Z.Z.Xing,Prog.Part.Nucl.Phys.45(2000)1-81R.N.Mohapatra,ICTPLectures,hep-ph/0211252(2002)G.Altarelli,F.Feruglio,NewJ.Phys.6(2004)106S.F.King,Rept.Prog.Phys.67(2004)107-158近年来中微子唯象学综述文章选摘(2)中微子一般唯象学：M.Gonzalez-Garcia,Y.Nir,Rev.Mod.Phys.75(2003)345-402V.Barger,D.Marfatia,K.Whisnant,Int.J.Mod.Phys.E12(2003)569–647Z.Z.Xing,Int.J.Mod.Phys.A19(2004)1-79R.N.Mohapatraetal,hep-ph/0412099(2004)Leptogenesis机制：W.Buchmuller,M.Plumacher,Int.J.Mod.Phys.A15(2000)5047–5086G.F.Giudiceetal,Nucl.Phys.B685(2004)89-149A.Pilaftsis,T.J.Underwood,Nucl.Phys.B692(2004)303-345质量谱与味混合中微子质量谱与轻子味混合参数轻子味结构含12个参数:带电轻子质量3个中微子质量3个味混合角3个CP破坏位相3个混合矩阵(MNS矩阵Dirac位相；Majorana位相与):中微子振荡存活几率():确定中微子质量平方差和混合角中微子振荡实验数据的GlobalFitM.Maltoni等,hep-ph/0405172中微子质量Hierarchy与味混合组分宇宙学限制(U.Seljak等:astro-ph/0407372)：m_i0.14eV来自m_1+m_2+m_30.42eV(95%C.L.)。SmirnovPlot最重的中微子质量必大于或等于0.05eV;最轻的中微子质量可以为零费米子质量谱—难以想象的统一之梦该图假设了中微子质量“NormalHierarchy”(m_1m_2m_3)；如此跨度使费米子质量起源成为巨大的理论难题。太大还是太小？研究中微子质量与味混合的几种途径★RadiativeMechanism(S.Weinberg72;A.Zee80)★TextureZeros(S.Weinberg;F.Wilczek,A.Zee;H.Fritzsch77)★FamilySymmetries(H.Hararietal78;C.Froggatt,H.Nielsen79)★SeesawMechanism(P.Minkowski77;T.Yanagida;S.Glashow;M.Gell-Mannetal79)★ExtraDimensions(K.Dienesetal;G.Dvali,A.Smirnov99)关于味混合的若干唯象学思考(1)★轻子的双大角混合模式意味着中微子质量可能没有强Hierarchy:味混合：质量本征态味(相互作用)本征态:★夸克混合角的压低来自较强的夸克质量Hierarchy(0.22):4~/~/tccummmm2~/~/bssdmmmm41322312~~~2/~/4mme3/4~/2mm关于味混合的若干唯象学思考(2)★轻子和夸克混合角低能实验数据的巧合？—猜测:★两种混合自然的联系与中微子部分不自然的BimaximalMixing:FVVCKMMNS21212121212102121F4/)CKM()MNS(4/)CKM()MNS(23231212)CKM(5.1~)MNS(2313夸克—轻子对称性？(P.Ramond,hep-ph/0411009)CKM花絮:Klapdor-Kleingrothaus证据eV4.0~eem中微子有效质量Seesaw机制中微子Seesaw机制的基本思想最简单(Type-I)Seesaw—引入重的右手中微子Ni:h.c.21~RRcRRLRLYvMvvφYleYφlLvl规范对称性保持不变。弱电对称性自YLU(1)SU(2)发破缺后，轻子获得质量():174GeVllYMYMDRM不受限于能标)(TD1RDMMMMv有效中微子质量矩阵:NSeesaw25(KEK二月/Paris六月)?P.RamondT.YanagidaSeesaw—AFootnoteIdea:H.Fritzsch,M.Gell-Mann,P.Minkowski,PLB59(1975)256历史：Seesaw27抑或Seesaw29?P.Minkowski最终开始被承认?中微子Seesaw机制一览表类型引入的新粒子GUT动机13个右手中微子N_i在SO(10)框架很自然21个标量SU(2)_L三重态_L不够自然33个费米子三重态_i不够自然43个N_i和1个_L在SO(10)框架很自然52个不同的_L不够自然63个N_i和额外的费米子单态S_i在SO(10)框架有可能类型1:Type-ISeesaw机制类型4:Type-IISeesaw机制(诸如此类模型可导致不同Leptogenesis和LFV后果)Leptogenesis机制宇宙的物质-反物质不对称现象(1)地球(人)光年1010可观测宇宙观测事实:在可观测宇宙范围内没有发现反物质存在的迹象。今天的宇宙为何具有物质-反物质不对称？一个物质世界Dirac的思辨没有证据或许存在另一个由反物质组成的镜像世界(1933)★当初:参考点t=10-6s,宇宙温度T～1GeV～1013K。宇宙的物质-反物质不对称现象(2)宇宙进一步冷却，正反夸克对湮灭成光子和中微子，未湮灭的夸克形成核子，导致nB与nγ之比约为1010，大致保持到今天。重子产生(Baryogenesis):★简单的“Just-So”:宇宙最初就存在B0，直到今天。★无极生太极:B0来自B=0的初态经过演化而产生。★如今:参考点t=1.21010y,宇宙温度T～2.7K。（BBN与WMAP结果相一致）重子产生的Sakharov条件基于BigBang(Gamov1946)的Sakharov重子产生条件(1967):★B不守恒；★C和CP不守恒；★偏离热平衡。Baryogenesis机制:Planck/GUTBaryogenesis;ElectroweakBaryogenesis;Leptogenesis;Affleck-DineMechanism;…(1975年获和平奖)前苏联氢弹之父★引入右手中微子Ni，Seesaw机制压低左手中微子质量；h.c.21~RRcRRLRLYvMvvφYleYφlLvl★重的Ni衰变，树图与圈图振幅相干产生CP破坏εi；lNicilNvs★偏离热平衡，CP不对称εi导致轻子数不对称YL；*LLL)(gdsnnYi(g*相对论性自由度，d冲淡因子)★轻子数不对称YL通过弱电反常过程转化为重子数不对称YB。LBBB)(cYsnnY(c0.35)Leptogenesis机制的基本思想(轻子数破坏—Majorana)Fukugita&Yanagida(1986):(见下图)对CP破坏有主要贡献的衰变图前苏联氢弹之父前苏联氢弹之父L高能与低能CP破坏现象有联系吗？(1)两类可靠的超出标准模型的新物理可以在一个简单的图像内得到解释一箭双雕前苏联氢弹之父宇宙的物质-反物质不对称(观测)太阳与大气中微子振荡(实验)Seesaw机制Seesaw机制本身将高能标物理与低能标物理通过中间能标联系起来四两拨千斤高能与低能CP破坏现象有联系吗？(2)前苏联氢弹之父},,{Diag~mmmUMUelll},,{Diag321*mmmUMUvvv}{321RRRDiagM,M,MUMU*TD1RDMMMMv轻子味混合矩阵vlUUV包含MR与MD的若干信息。而Ni衰变产生的CP破坏效应(假设M1M2M3,只有ε1保存下来)表达为下式:3