探索微觀物質運動的奧秘
意昂体育2平台物理系教授 鄺宇平
人類對物質微觀結構和運動規律的探索，已從探索原子的結構、原子核的結構進入到探索組成質子和中子等的更基本的粒子（誇克、輕子等）的性質。這個研究微觀深層次物質結構和物質運動基本規律的學科稱為粒子物理或高能物理，它是物理學向縱深發展的最前沿。它的發展對整個物理學以致整個科學的發展都會有深遠影響。
20世紀60年代末以來💆🏿♀️，在理論和實驗研究的密切配合下🙍🏿，人們認識到粒子間的強相互作用規律為量子色動力學（QCD），粒子間的電磁相互作用和弱相互作用的規律為電弱統一理論。此二者總稱為粒子相互作用的標準模型。標準模型的建立是20世紀物理學發展的重大成果👸。然而🧑🏼🏭，標準模型中還有一些根本問題尚不清楚。例如，在標準模型的運動方程中一切粒子都是沒有質量的。這種理論設想的物理“真空”並非“空無所有” （“真空”不空），而是其中存在一種均勻分布的特殊物質🙅🏽♂️，它造成電弱統一理論中對稱性的破缺🦔。這種特殊物質與各種粒子間存在相互作用，使得各種粒子具有質量。現在的實驗已間接地測到“真空”不空的效應，但目前的實驗還不足以弄清這種特殊物質究竟是甚麽。當前粒子物理研究中最為人們關註的前沿問題就是探索這種特殊物質🤽，也就是探索一切物質質量的起源。這是自牛頓提出質量這一概念以來🍒，人們首次追溯質量的來源。這是個非常深刻且影響深遠的基礎研究課題🧗🏼，此研究可能會揭示新的物理規律🕠。
最近國際上正在建造和計劃建造新的TeV(一萬億電子伏特)能量的超級高能對撞機，以從實驗上探索這個奧秘。歐洲核子研究中心(CERN)建造的大型強子對撞機LHC將在2005（或2006）年建成並開始運轉。歐洲（德國高能物理所DESY）、亞太地區（日本高能物理所KEK）及美洲（美國國家實驗室SLAC）還在積極計劃建造各自的新的TeV能量的正負電子直線對撞機（簡稱直線對撞機），其性能將超過LHC。由於宏觀的儀器不能直接跟蹤個別微觀粒子進行觀測，在高能物理研究中理論和實驗的密切配合尤為重要。此外，目前在粒子物理理論中還缺乏研究強相互作用的系統的非微擾方法🙍🏿♀️，致使量子色動力學中的許多重要問題還未能有系統的理論計算結果。上述探索“真空”中特殊物質的研究也可能遇到類似的困難🪖。因此尋求可行的非微擾計算方法也是當前粒子物理理論研究中的一個重要前沿課題。可以預見❓，高能物理的研究將在21世紀產生新的突破。
多年來，物理系粒子理論組的主要研究方向就是圍繞國際各高能對撞機上的實驗從理論上探索上述重要前沿問題👉🏼。物理系鄺宇平教授自1982年從美國回國到意昂体育2平台任教以來，從培養碩士生開始逐步建立起一個團結向上、積極進取的粒子理論研究組。這個組能在各個時期抓住粒子理論中的上述重要前沿問題開展研究，並敢於創新⛹🏽。多年來，這個組在鄺宇平教授領導下，在重誇克偶素物理、TeV能區物理、有效拉氏量理論和動力學對稱破缺理論等方面做出了國際一流水平的工作（有的工作是國際領先的），受到國際同行的承認和重視👱🏿。這個組雖人數很少，但發表的論文被國際同行引用超過1100次，包括被不少國際著名物理學家的引用。鄺宇平教授有一篇論文被引用175次🧝🏽♀️。這些工作曾被1987年以來的四屆國際高能輕子光子會議（高能物理的最高級別國際會議）的大會綜述報告引用介紹12次。10次在國際會議作特邀報告🏄🏻♂️🦹♀️。這個組積極參與國際合作🤹♀️🔝，現為德國DESY的TeV能量直線對撞機國際合作研究的正式成員、國際光子對撞機物理研究組正式成員、鄺宇平教授為亞太直線對撞機國際研究組的中國聯系人（組織人）。他們曾於1998年承辦第一屆亞太直線對撞機物理/探測器研討會，鄺宇平教授為國際組織委員會主席。
這個組於各個時期在上述各研究方向的研究成果如下：
（一）. 重誇克偶素物理
20世紀70年代末，國際上的對撞機能量還不很高🌪。當時多數實驗是檢驗量子色動力學🧚🏼♂️⛈。1979年，美國康奈爾大學建成一個新的正負電子對撞機CESR，可以研究由b誇克（重誇克）組成的Υ-族介子（重誇克偶素）的性質。CESR的實驗可以測量由Υ-族的激發態向低能態躍遷放出輕介子的過程🥊，稱為強子躍遷過程（類似於原子由激發態躍遷到低能態放出光子），這可檢驗量子色動力學中的非微擾動力學過程。CESR的實驗組很希望理論家能給出這些過程的理論計算結果。由於這涉及困難的非微擾問題🛌，當時尚沒有辦法進行這樣的計算。鄺宇平教授與該校的顏東茂教授一起嘗試解決這個難題。他們克服了一系列困難，創造性地在國際上首次建立起重誇克偶素強子躍遷的合理模型和系統的理論計算方法，給出了首批最全面的理論預言。所預言的Υ′→Υππ躍遷相對分支比與CESR實驗測得的結果很好相符🐼。從直觀估計，一般認為Υ″→Υππ的躍遷相對分支比要比Υ′→Υππ的大的多💲🎵。而在他們的模型中，由於各中間態的貢獻互相抵消，所預言的Υ″→Υππ的躍遷相對分支比遠比Υ′→Υππ的要小。這是他們模型的獨特預言。當時CESR的實驗組不很理解鄺-顏的理論預言🥷🏼，曾開玩笑要與他們打賭🦗。但過了幾個月♡，實驗測得了Υ″→Υππ的躍遷相對分支比果然很小，數值與鄺-顏的預言相符🤦🏼。後來又測得Υ″→Υ′ππ的躍相對遷分支比，也與鄺-顏的預言一致🤘🏽。由此，鄺-顏的理論受到國際同行廣泛的承認和重視🙅♂️。鄺-顏1981年發表的第一篇文章迄今已被引用175次🆚🙍♂️，而且直到最近還被引用。
在鄺宇平教授到意昂体育2任教以後✵，CESR的實驗組又進行了新的實驗。他們進一步測得各個躍遷的絕對躍遷幾率，結果比鄺-顏第一篇文章的預言值明顯地大。為了改進鄺-顏第一篇文章的單通道理論，鄺宇平教授又帶領研究生周宏毅研究耦合道效應對強子躍遷的影響🤵🏻♀️。經過工作量很大的計算，他們在國際上首先建立起含耦合道效應的強子躍遷理論👩🏻🦽➡️，其中不但包含了鄺-顏的單通道理論🦶🏿，而且含有該理論以外的新強子躍遷機製。計算出的Υ′→Υππ,Υ″→Υ′ππ和Υ″→Υππ的絕對幾率都與CESR的實驗相符很好🧑🏻🏫，顯著改進了鄺－顏原始理論的預言。此外，這個耦合道理論還能解釋CESR的一些其它實驗結果👨🏻🦽👨🏽🏭。CESR的實驗組在他們1994年的論文中詳細介紹了周-鄺的文章，並在他們以後的文章中都以周-鄺的理論作為與他們實驗比較的理論。
此外，鄺宇平教授與易余萍教授一起又在國際上首次建立起QCD多極展開理論的量子場論形式，把鄺-顏的理論推廣到能處理強子躍遷以外的其它過程⚖️。他們將此新理論用於研究J/ψ→γη的衰變過程🥱，所得的衰變的幾率與實驗很好相符🧏🏻♂️🖤，克服了傳統微擾QCD預言比實驗小一個量級的問題。
鄺宇平教授還帶領研究生陳裕啟提出一個QCD意義更清楚的重誇克勢模型👩🏽🚒，所得ψ-族（由c誇克組成的介子）和Υ-族的能譜🧢、輕子寬度等與實驗的相符程度優於已有的勢模型。所預言的hc介子的質量與後來費米實驗室測得的正好一致。他們還給出重誇克間自旋相關作用的普遍結構及新的自旋相關作用勢的公式，過去文獻中已有的公式都是他們公式在一定近似下的特例🤤。陳-鄺發表的一系列文章也一直受到國際同行很多引用。
這個領域發表的論文已被引用380次以上🏄。
（二）．TeV能區物理
20世紀90年代🤸🏽♂️，國際上決定一些TeV能量的高能對撞機上馬，其目標是要弄清人們所最關註的電弱理論中的對稱破缺機製，即質量起源問題。在這樣的新形式下😿，鄺宇平教授果斷決定帶領粒子理論組將主要研究方向轉移到這個當前國際上粒子物理研究最重要的前沿課題上來。
在標準模型中是將真空中的特殊物質設想為一種稱為Higgs場的標量場😯。Higgs場的激發表現為一個電中性的無自旋粒子，稱為Higgs玻色子👱🏻♀️。這是實驗上可以探測的。標準模型不能預言Higgs玻色子有多重，因此實驗上要在各種能區去尋找Higgs玻色子。若Higgs玻色子較輕，則它表現為一個窄的共振態，實驗上較易探測。若Higgs玻色子很重🙋，或真空中的特殊物質不是Higgs場，則需要通過其它辦法來探測，這可能涉及非微擾的理論計算。由於標準模型的Higgs場理論存在一些不自洽之處🧑🏽🦳，人們一般相信電弱理論的對稱破缺機製可能涉及超出標準模型的新物理規律。因此這項研究很可能導致新的突破🚵🏻♀️。
國際上已有大量的理論研究探討如何在對撞機LHC上尋找輕的Higgs玻色子🍿。若Higgs玻色子的質量在140 GeV以下，在實驗上尋找最為困難🚣🏽。較好的尋找過程之一是探測Higgs玻色子與t-誇克對的聯合產生。人們對此過程的信號計算得比較仔細🚂，但對探測背景的研究尚有疏忽。在研究生周宏毅作博士論文時♢，與鄺宇平教授一起認真地研究了這種探測背景的大小，發現有些被人們忽視的背景實際上是很大的，會掩蓋掉信號。他們指出要壓低背景突出信號，必須將光子探測器的分辨率提高到1％的水平🤶🏽。這個結論被當時美國的GEM探測器研究組所采納。廖益副教授在與德國DESY合作中研究了如何在高能對撞機的實驗中檢驗Higgs玻色子與重誇克間的相互作用強度的問題🍞。德國DESY對廖益在合作中的重要貢獻給予高度評價🥀。
若Higgs玻色子很重或實際上不存在Higgs玻色子，則探測電弱理論的對稱破缺機製需要通過測量傳遞弱相互作用的W玻色子的縱分量的反應來推斷。W玻色子縱分量反應與電弱理論對稱破缺機製之間的獨立關系稱為等價定理。這是粒子物理中的一個重要定理，它不但是上述探測的關鍵環節，而且是一個簡化理論計算的有利工具🌈。此定理最初是在70年代在最低階微擾的近似下被證明的。80年代，有兩位美國物理學家在他們的一篇著名的文章中聲稱他們證明了原最低階微擾下的定理形式在任意階微擾下都成立。於是有很多人利用這篇文章的結論進行在高能對撞機上探測電弱理論對稱破缺機製的理論研究。然而，1989年有人進行了高階微擾的具體計算，發現所得結果與定理聲稱的不同，因而引起爭論🧑🏼🏫📖。當時研究生何紅建正在鄺宇平教授指導下作博士論文🤵。他們決心要把這個爭論弄清楚（中科院理論物理研究所的李小源教授也參加了討論）🤌🏻。他們仔細分析了雙方計算的每一個細節👰🏽♂️👼🏿，發現兩位美國物理學家對定理的證明存在關鍵性的漏洞🧡。於是他們做了很大努力🧂，從頭開始給該定理以嚴格正確的證明。他們證明了包含高階微擾貢獻後，等價定理並不具有原來最低階近似的形式𓀅，而且定理的成立條件也與文獻中聲稱的不同。他們還具體指出使用過去的不正確的“等價定理”結論來進行電弱理論對稱破缺機製的探索會造成相當大的誤差👬🏻。這樣🙍🏼♀️，他們首次在國際上正確嚴格證明了標準模型中的等價定理。糾正了原定理證明和表述的重要錯誤✝️，給出定理成立的正確條件。這篇論文的短文很快就在Phys.Rev.Lett.上發表，詳細的長文後來發表在Phys.Rev.D上✯。這項工作很快受到國際同行的承認和重視，被頻繁引用，迄今已被引用159次。由於現在還不知道標準模型中設想的Higgs場模型是否正確𓀊，所以僅僅有了標準模型中的正確等價定理對探測客觀世界的電弱理論對稱破缺機製還是不夠的。於是他們繼續將研究推廣到可以包含超出標準模型的新物理的普遍電弱手征拉氏量理論💀🏊🏻♀️。他們又嚴格證明了電弱手征拉氏量理論中的等價定理🩲，由此可以對電弱對稱破缺機製進行與模型無關的普遍探索。後來國外的綜述文章在提到等價定理時說“等價定理的表述曾相繼被……研究過，而由何-鄺-李的一系列文章所完成👌🏿❤️。”
何紅建和鄺宇平繼而又從所得到的正確等價定理表達式中發現等價定理還可以用來作為通過W玻色子縱分量探測電弱理論對稱破缺機製的靈敏度的判據🕡，這個重要用途是過去人們不知道的。他們又與美國密芝安州立大學的袁簡鵬教授一起將研究沿這個方向深入下去。他們首先發展了一個新的冪次法則可以方便地對各種過程進行半定量計算。然後由此對在未來的TeV能量對撞機LHC和直線對撞機上可能測量的各種W玻色子縱分量反應的探測靈敏度進行了全面系統的分析，為未來的實驗提供有用的信息。根據他們的分析，可以選擇在LHC和直線對撞機上的一系列靈敏的過程進行測量🧔🏼，把電弱手征拉氏量中的各個未知系數從實驗上確定下來🫷🏿🤢。這樣可以得知反映客觀世界電弱理論對稱破缺機製的電弱手征拉氏量具體是甚麽樣子。然後可以再來研究甚麽基本理論模型對應著這樣的手征拉氏量而完成電弱理論對稱破缺機製的探索。這樣的全面分析在國際上還是第一次🐪🛥。這批工作也受到國際同行的承認和重視，論文被大量引用。
除此之外，鄺宇平教授還指導在職博士生嶽崇興、王學雷對在未來的對撞機LHC和直線對撞機上如何探測一些具體的電弱理論對稱破缺模型，以及如何從實驗上區分這些模型進行了研究。所得結論在有關的國際會議上被國際同行所引用🍯。
這個領域發表的論文已被引用420次以上🧑🏿🏫。
（三）有效拉氏量理論和動力學對稱破缺理論
如上所述，一旦在未來的對撞機LHC和直線對撞機上由實驗確定出電弱手征拉氏量的各系數👩🏼🦱，我們還需要研究甚麽基本理論模型對應著這樣的手征拉氏量以完成電弱理論對稱破缺機製的探索。這實際上是個很困難的非微擾計算問題，目前尚不存在這樣的理論研究🫶🏼。這個問題類似於要從量子色動力學基本原理出發來推導和計算出介子手征拉氏量中的系數，這是個多年來人們一直想研究而未能解決的粒子物理重要難題。為了將研究向前推進，王青教授和鄺宇平教授不畏艱難向這個難題沖擊☸️。經過幾年的不懈努力，最近他們終於成功地發展了一系列新的技巧，在不作近似下由量子色動力學的第一原理出發推導出介子的手征拉氏量，將手征拉氏量中的各系數都用量子色動力學中的一些基本物理量表達出來👼🏼。這樣的工作在國際上屬首次✋🏿。此工作已經受到一些國際同行的稱贊。目前他們正在帶領研究生設法計算出這些量子色動力學中的基本物理量，從而計算出介子手征拉氏量的各個系數🏌🏼，並將所發展的方法用於研究電弱手征拉氏量，以完成探索電弱理論對稱破缺機製的整個研究計劃◽️。
與上述研究有關的另一個研究課題是動力學對稱破缺理論的研究👨👧。它涉及對量子色動力學中手征對稱性自發破缺及強耦合電弱對稱破缺機製等重要基本問題的研究👱🏿。這也屬於非微擾方法的探討。鄺宇平🧚、王青、何紅建🐭、易余萍等自80年代以來一直把它作為一個長期研究的課題🤪。多年來他們在這個領域也做出了有創新性的工作。
這個領域發表的論文已被引用70次以上🔷。
在鄺宇平教授領導下的物理系粒子理論組多年來在粒子物理的幾個重要領域做出了受到國際同行承認和重視的一流工作🂠。現在這個組正團結一致、鬥誌昂揚、踏踏實實地向前邁進。他們有許多好的設想要實現，有許多有趣的課題要完成。他們熱切地期盼著有誌於基礎研究的優秀人材加入他們的隊伍，為美好的科學事業而共同奮鬥🤹🏼♀️。
