2008 诺贝尔物理奖邝宇平

2008.11.20 清华

• The Nobel Prize in Physics 2008• "for the discovery of the mechanism of spontaneous brok

en symmetry in subatomic physics"• "for the discovery of the origin of the broken symmetry w

hich predicts the existence of at least three families of quarks in nature"

Nambu （南部阳一郎） Kobayashi （小林诚） Maskawa （益川敏英） （ 1921 ） （ 1944 ） （ 1940 ）

I. 对称性与对称性破缺

对称性是物理学中有重要意义的概念。运动方程的对称性导致守恒定律。

体系对 U 变换不变： → U 守恒

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• 平移不变性→动量守恒

• 转动不变性→角动量守恒 ○ 空间反射不变性→宇称守恒 ○ 同位旋转动不变性→同位旋守恒 有些物理量，如宇称、同位旋，实际上并不严格守恒→空间反射、同位旋转动对称性实际上是破缺的！

对称性的破缺有两类：• 显式破缺：运动方程中含有不对称项• 自发破缺：运动方程是完全对称的，但解出的体系的基态不对称。 例如 Heisenberg 的铁磁理论

H 有转动不变性的哈密顿量→无转动不变性的基态（有特殊方向）— 转动对称性的自发破缺。

对称性的自发破缺在粒子物理中扮演非常重要的角色。以电弱统一理论为例，它是 SU(2)×U(1) 规范理论，传递相互作用的规范场： 光子（ γ ）：传递电磁作用 弱规范玻色子（ W、 Z）：传递弱作用要此理论可以重整化，必须运动方程有完全 SU(2)×U(1) 规范对称性。 实验指出： Mγ ＝ 0， MW≈80 GeV ， MZ ≈91 GeV 。若在运动方程重加入 W、 Z的质量项，则显式破坏SU(2)×U(1) 规范对称性—理论不能重整化！ MW 和 MZ（体现对称性破缺）从和而来？

在量子理论中

对称性自发破缺保持理论能重整化，同时物理观测量体现对称破缺性质—观测到的 MW 和 MZ 不为 0！

现在还不清楚是自然界的什么机制造成 SU(2)×U(1) 规范对称性的自发破缺。 标准模型（ 1967 ）假定存在一个基本标量场— Higg

s（ Φ ）—及其特殊自作用使在真空中 <Φ>≠0来造成SU(2)×U(1) 规范对称性的自发破缺。它的元激发称Higgs 玻色子，是此假定的特征。迄今，实验上一直没有发现 Higgs 玻色子，且将标准模型用于高能区存在不自洽。 探索 SU(2)×U(1) 规范对称性的自发破缺机制是CERN 的大型强子对撞机 LHC 的首要研究课题。

Nambu在 1960 年开始用量子场论方法研究 BCS超导理论的规范不变形式。随后于 1961年与 Jona-Lasinio 一起将此方法用于研究粒子物理中的对称性自发破缺。他们写出一个场论模型— Nambu-Jona-Lasinio模型：

其中γ5＝ iγ0γ1γ2γ3。此模型对以下变换（手征变换）是不变的：

他们在 Hartree-Fock 近似下求出在耦合足够强时，真空态（基态）中 < >≠0，自发破缺手征对称性—动力学对称破缺。

强子质量：典型强子质量 Mhad≈1 GeV 。为何 Mπ ≈140 MeV ？ Nambu-Jona-Lasinio 模型可以解释此现象。 Goldstone定理：连续对称性自发破缺必定导致 0质量标量（赝标量）粒子（ Goldstone玻色子）存在。 手征对称性自发破缺导致的 Goldstone玻色子是赝标量— π介子质量为 0。再在拉氏量中加一个小的显式破缺项 ，可使 π介子有小的质量。此思路至今仍在用（现在理论中 是夸克）。 Nambu 的工作最先给出粒子物理中对称性自发破缺的模型，成功解释 π介子质量轻的问题。 Nambu 的自发破缺机制被用于许多新物理模型中的电弱对称破缺。

II. CP 对称性及其破缺 C: 正反粒子变换 P：空间反射变换实验指出电磁作用和强作用中 CP守恒。以 K 介子为例， CP=-1 CP=+1CP守恒则 但 Cronin 和 Fitch(1964)发现在弱作用中有大约（ 0.2—0.3)%的 — CP破坏（ 1980诺贝尔奖）。 宇宙学中解释为什么物质远多于反物质也需要有较大的 CP破坏，现在尚不知其来源。

2/)|(|| 000 KKK L 2/)|(|| 000 KKK S

00 －LK 000 ，－SK

－ LK 0

组成物质的基本费米子：

70年代初只发现了 u 、 d、s三个夸克。 1974年丁肇中、Richter发现了c夸克获得 1976诺贝尔奖。 对于弱作用，1957年 Feynman和 Gell-Mann提出普适的V-A作用理论，含一个普适的弱作用耦合常数 G。实验测量了β衰变： μ衰变：发现 eeud

ee

7G0G 9.

1960年 Gell-Mann和 Levy用一个小参量 ε来描述此差别。1963年 Cabibbo引入一个角度，认为在弱作用中是由参与的。这样， 。 1972年 Kobayashi和 Maskawa分析了这种转动在什么情况下能够描述 CP破坏。他们普遍考虑有 N 代夸克的情况，分析转动变换中真正独立的参量数目 NKM，指出当 N＝ 2，NKM＝1（ Cabibbo角）；当 N=3， NKM＝ 4，除三维转动的三个转角外还多一个独立参量，一个相角 δ，可以描述 CP破坏。因此要能描述 CP破坏，需要夸克至少有三代 （ N≥3）。现在实验上的确发现了三代夸克。

sincos' sdd cossin' sds

G cosG

2KM 1-NN ）（

Kobayashi和 Maskawa把转动变换矩阵写成

其中 ， 。理论研究表明，有 CP破坏则粒子反应振幅为复数。所以有 δ的项描述 CP破坏。这项研究没有涉及相角 δ是由什么动力学机制产生的，其值要由实验来确定。迄今实验上发现的 CP破坏现象都能用此描述。 这个标准模型的 CP破坏还不足以满足宇宙学的需要。人们还要在未来的实验中（如 LHCb ）寻找新的 CP破坏机制。

iis sin iic cos

III. 启示 值得深思：1. 应重视探索性基础研究 这是日本第 5次（共 7人）获诺贝尔物理奖，大多是在本土完成的工作。需要加强队伍，营造良好环境。2.不要过分重视发表文章刊物的 impact factor Kobayashi-Mskawa的文章发表于 Prog.Theor.Phys.3.不要太看重 SCI论文数及一些统计指标 Nambu： 期刊论文数： 52， h=28 Maskawa： 期刊论文数： 28， h=154. 切忌急功近利。应鼓励敢于研究前沿重要问题、敢于创新、踏实研究、坚持不懈的研究精神。

谢谢 ！