暗物质与中微子粒子物理的两朵乌云汇编.pptx

暗物质与中微子——粒子物理的两朵乌云 张宏浩（中山大学） 2016年11月14日于大学城 中山大学东校园公共教学楼E201教室 标准模型的基本粒子 2 3 标准模型的规范对称性：SU(3)×SU(2)×U(1) 标准模型的拉格朗日量 4 Some problems of the standard model triviality hierarchy problem too many parameters existence of dark matter smallness of neutrino mass matter/antimatter asymmetry vacuum stability …… The SM may NOT be a final theory. 5 第一朵乌云 暗物质 7 暗物质是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学的最大乌云，它将预示着物理学的又一次革命。 ——李政道 关于李政道先生引言的参考文献： 秦波，精确宇宙学时代的暗物质问题，《现代物理知识》2009(5):17-24 8 所谓暗物质、 暗能量就是非常稀奇的事物 ，这里面我想是可能引出基本物理学中革命性的发展来的…… 假如一个年轻人 ，他觉得自己一生的目的就是要做革命性的发展的话 ，他应该去学习天文物理学。 ——杨振宁 关于杨振宁先生引言的参考文献： 秦波，精确宇宙学时代的暗物质问题，《现代物理知识》2009(5):17-24 9 在热门美剧《The Big Bang Theory》里，主角Sheldon也开始从弦论转行研究暗物质 10 暗物质存在的天文学与宇宙学观测证据 在1930年代，Zwicky用Virial定理分析在后发星系团 (Coma Cluster)的星系的运动速度，他发现它们的速度 太快了，可见物质的质量不足以解释这么快的速度， 为此他引入了约10倍于可见物质质量的“暗物质”。 暗物质之父：Zwicky 11 在1970年代，Rubin研究了漩涡星系的旋转曲线， 她发现v随r的变化曲线并未遵循牛顿力学的预言， 而是几乎平坦的：速度仍然太快了！ 这个现象可以用暗物质或者MOND理论解释。 暗物质之母：Rubin 12 13 我以前的讲课板书 14 15 修正的牛顿动力学（MOND）之一 根据星系旋转曲线 A：牛顿力学预言的旋转速度 v∝r^(-1/2) B：实验观测到的旋转速度 v≈Const. 16 修正的牛顿动力学（MOND）之二 MOND理论假设 牛顿第二运动定律在加速度极低时修正为： 力与加速度的平方成正比 17 修正的牛顿动力学（MOND）之三 18 修正的牛顿动力学（MOND）之四 在2004年发现的子弹星系团(bullet cluster)，通过X射线 探测到的是红色的可见物质，看来是两个星系相撞； 通过弱引力透镜探测到的质量分布是蓝色的部分（可 解释为暗物质），可知它们的相互作用非常微弱， 几乎直接穿过去了。 用MOND理论解释 这一现象有困难， 除非也引入暗物质 19 bullet cluster (2004) train wreck (2007) baby bullet (2008) 20 21 由弱引力透镜观测结果知，在银河系内的大质量致密晕天体 （MAssive Compact Halo Objects，MACHOs）对银河系暗物质晕的 贡献小于8%，这表明在银河系中暗物质的主要成分不是MACHOs 这样的重子暗物质，而应该是非重子暗物质。进一步可推测， 在宇宙中的暗物质主要成分也是非重子暗物质。 22 23 24 25 暗物质粒子的脱耦 在运动学脱耦之后，暗物质粒子不再与背景等离子体有动量交换， 因此暗物质粒子的质量扰动开始随时间对数增长，逐渐形成结构。 26 非重子暗物质的脱耦时间比重子的脱耦时间更早！ 27 28 29 30 2013 31 32 33 暗物质的候选者与粒子物理 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 一些超出标准模型的新物理模型可以自然地 包含暗物质候选粒子 44 45 46 47 48 暗物质的性质仍然是一个开放的科学问题 Chris Quigg列出的 十大科学难题： 对暗物质的研究涉及粒子物理、宇宙学、天体物理等 多个学科 51 暗物质的探测实验 暗物质的直接探测 54 PandaX-II Collaboration, 1607.07400, Phys.Rev.Lett.117,121303(2016) 暗物质的间接探测 高能对撞机的探测器与粒子重建 暗物质的对撞机探测 第二朵乌云 中微子 59 Puzzle with Beta Spectrum Three-types of