m_p ～ m_n ～ 3 m_q～ 980 MeV
二、CP对称性和对称破缺
正反粒子和左右镜像
CP 对称性即：正粒子 反粒子 粒子 －反粒子、左右镜像反 演的对称性,它涉及到空 通过CP变换相互转换 间和物质的基本对称性
CP 对称性和破缺一直是 粒子物理学家探索自然 界基本规律的前沿领域
左手性 右手性
为区分弱相互作用与第五种超弱相互作用，必须测量由衰变
振幅引起的直接CP 破坏，用比值ε‟/ε来描述，在超弱相互作 用模型中ε‟/ε＝0， 而在弱相互作用模型中ε‟/ε ≠0。 意义，而且它对探索自然界新的作用力和理论，以及CP 破 坏的起源起着关键性的作用。
测量和计算这个比值ε‟/ε不仅对研究直接CP 破坏有着重要
CP对称性和对称破缺
1957年，李政道－杨振宁发现中性 K0 介子衰变的弱相
互作用的宇称(P)反演对称性破坏，获诺贝尔物理奖 1964 年,Cronin 和Fitch 由于发现了CP（正粒子－反 粒子、左右镜像反演的联合对称性）破坏，而荣获 1980年的诺贝尔物理奖。 而Cronin 和Fitch所发现的 CP 破坏是由中性 K0 介子和它的反粒子之间的混合所 引起的，通常被称为间接CP 破坏 （用ε 描述） 这样的间接CP 破坏既可以由弱相互作用引起，也可由 新的超弱相互作用 (super weak interaction）引起。
探索物质深层次结(Yue-Liang Wu)
中国科学院理论物理研究所 (ITP-CAS)
重庆邮电大学
2008.4.15
主要内容
对称原理与物理规律 自然界中的对称性 物理学中的对称性 粒子物理中的对称性 CP对称性和CP破坏 研究CP破坏的重要性和科学意义 重要的科学问题、理论预言和实验验证 CP破坏位相的起源 、新的物理唯象 粒子物理和宇宙学 粒子物理和宇宙学面临的挑战 实验上的挑战 （LHC，BEPCII/CLEOC, Planck，……) 对称原理和统一理论 最大对称化的最小统一模型(MSMUM) 自然界最基本问题的探讨 总论和展望、统一和呈展 爱因斯坦和统一场论的探索

粒子物理中的对称破坏
左右镜向对称（宇称）破坏：
1956年，李政道和杨振宁发现在微观世界中，左右镜向对称 遭到弱相互作用的破坏，科学界才认识到，一些基本规律在 一定条件下也存在对称破缺。
弱相互作用 的SU(2)_L 对称性自发破缺：
粒子物理弱电统一模型中，中间玻色子、夸克和轻子质量的 起源、夸克之间混合的起源；没有对称破缺，宇宙到处充满 了无质量的以光速运动的粒子。世界会变得很单调。
守恒定律在物理中占有非常重要的位置
很长时间内物理学家认为对称性和守恒定律是 最美的，也是绝对的，不会受到破坏。自然界 出现的非对称现象不反应事物运动的基本规律
大统一理论的对称性

根据对称原理，构造具有更大对称性的 统一理论 ： SU(5)、SO(10)、…… 最近理论研究发现，世界的基本结构和 相互作用可能都来源于某种高维时空的 局域对称性
揭示宇宙世界所具有的各种类型的对称性

对称性的分类：

空间对称性： 对空间性质进行变换所对应的对称性 时间对称性： 对时间性质进行变换所对应的对称性 内部对称性：与时间和空间相独立的变换所体现的 对称性
内部对称性：整体对称性和局域对称性

对称破缺
(Oxford Dictionary of Physics)
Goldstone定理当时是在Gell-Mann－Levy、周光召1960年
提出 PCAC（轴矢量流部分守恒）后，对赝标量 介子的 特殊性质研究中， 于1961年提出的一个重要定理
粒子物理学中的对称性
Special Relativity 相对论
+
Quantum Mechanics 量子力学
+
重要的科学问题
检验标准模型中的CP破坏
理解CP破坏的起源和机制 寻找CP破坏的新的源 扩展粒子物理标准模型、探讨新的味物理 精确地计算物理过程中涉及到的基本理论参数, 发展
能处理量子色动力学（QCD）非微扰效应的新方法
成为粒子物理最重要的前沿研究方向
直接CP破坏的科学意义
m_u ~ 5 MeV m_d ~ 7 MeV
m_p ~ 980 MeV >> 2m_u + m_d ~ 17 MeV 中子质量 (n ~ udd )： m_n ~ 980 MeV >> m_u + 2m_d ~ 19 MeV 动力学自发破缺：夸克凝聚 动力学夸克质量： m_u ~ m_d ~ m_q ~ 320 MeV
自然地解释了ΔI＝ 1/2同位旋选择规则这个曾困扰了
粒子物理学家近半个多世纪的不解之谜。
Re A0 3.10
宇宙演化
CP 对称原理要求 物质数量 = 反物质数量
物质 大爆炸
反物质
为何当今的世界只有物质？ 表明CP对称在大爆炸过程中破缺
研究CP破坏的重要意义
不同的夸克和轻子用“味”量子数来描述，由六味夸克
和六味轻子作为物质的基本组元而建立的粒子物理标准模 型被称为二十世纪理论物理最重要的成就之一。但模型中 的CP破坏是人为地放进去的，它的起源并不清楚。

对称性破缺是指：一个多体系统的基态或 相对论量子场论的真空态所具有的对称性 比定义这个体系的拉格朗日量或哈密顿量 所具有的对称性小的情形。
在固体物理中，抗铁磁性和超导就是例子 在粒子物理中，电弱统一模型是相对论量 子场论中对称性破缺的重要例子

对称破缺与Goldstone 定理
(Oxford Dictionary of Physics)
难题的解决
引进新的函数切断正规化方法，解决了微扰与
非微扰之间匹配的难题。
论证一组手征代数关系在量子手征圈图修正下仍然成立。 这组关系把直接CP破坏与ΔI=1/2规则联系起来。
消除理论预言中所有可能的大的不确定性
直接CP破坏的理论预言 和实验结果
2001年对直接CP破坏给出的更精确的预言 ε′／ ε＝（20±4±5）×10-4
理论上遇到的原理性困难
难题之一: 量子色动力学的微扰和非微扰计算之间的匹配问题。 因如果这个问题不解决，理论预言的结果将依赖于 一个任意能量标度 。 难题之二: 奇异夸克质量的不确定性，它可导致直接 CP破坏 ε‟/ε的结果在数值上达 2 倍以上的不确定性。 难题之三:任何理论如果要对直接CP 破坏ε‟/ε给出可信 和自洽的理论预言，它必须同时能解释ΔI=1/2 同位旋选择规则。因直接CP破坏与ΔI=1/2规则 涉及到同样的强子矩阵元
日常生活中呈现的左右对称性
泰姬陵
生命起源：对称破缺的DNA
在生命起源过程中， 左右镜像对称破缺.
艺术上：对称破缺美的代表作
物理学中的对称性
（Oxford Dictionary of Physics)
对称性是指一个系统的一组不变性 (The set of invariances of a system) 数学上，利用群论来研究对称性。 自然界的许多对称性本身就是物理的，例如分子 的转动与反射、晶格的平移。



与对称性破缺相关的一个结论是Goldstone 定理：它是指在 具有连续对称性破缺的相对论量子场论中必然存在无质量 的粒子－Goldstone玻色子。 在固体理论中，Goldstone玻色子是集团激发。 规范对称性的破缺是Goldstone 定理的一个例外， 例如：电弱统一模型中的Goldstone玻色子成为有质量的玻 色子，即：Higgs玻色子。 在多体理论中，长程力也给出一个类似的不同于Goldstone 定理的例子，Higgs玻色子是一个非零能隙的激发。
怎样才能区分CP破坏是由弱相互作用还是由第五种超弱 相互作用引起，成为粒子物理研究的重大课题 CP破坏作为解释宇宙中物质-反物质不对称的一个必要 条件, 但研究发现，标准模型中的CP破坏不足以解释宇 宙中观察到的物质-反物质不对称，需要新的CP源。
这使得CP破坏一直成为粒子物理标准模型中没有解决的谜

对称性可以是分离的（具有有限的数目） 例如：八面体分子的转动， 也可以是连续的（具有无限的数目） 例如: 原子或核子的转动。 对称性可以是更一般的和抽象的，例如：CPT不 变性（ 粒子-反粒子变换、左右镜像变换和时间 反演对称性），以及与规范理论相关的对称性

对称性的性质

物理学的重要任务之一：
面临的挑战之一：
但模型预言的Higgs粒子还没有找到，对称破缺机制并没有得 到验证，成为粒子物理研究的重要方向。欧洲日内瓦建造 LHC对撞机的主要目的之一。
QCD动力学自发对称破缺
Spont aneous
Sym m et r y Br eaki ng
膺标介子作为 G ol dst one粒子
标量介子作为 H i ggs粒子
一、对称原理与物理规律
杨振宁教授：“二十世纪物理学的 主旋律是：量子化、对称性和相因子”
李政道教授:“二十一世纪物理学的 挑战是：夸克禁闭，对称和对称破缺”
周光召教授: “对称性和对称破缺是世 界统一性和多样性的根源 ”
自然界中出现的对称
自然界充满了各种对称性 例如：许多动物的 左右对称性、太阳的转动 对称性、海星的五重对称 性、雪花的六重对称性、 ……

确定了对称群与相互作用的强度以后， 力的所有的行为特征基本就确定了。 电磁相互作用：U(1)对称性决定的规范理论.U(1)对称 性可想象为一个在平面上转动的圆的对称性
对称性与守恒律

对称性导致守恒律 如：为何过去和现在事物运动的规律是相同 的，那是因为运动规律在时间平移的变动中 能够保持不变，也就是它具有时间平移的对 称性。时间平移对称性导致能量守恒定律。