當前高能物理（理論和實驗）有哪些研究熱點和難題？

12-21

相關問題：當前凝聚態物理（理論以及實驗）有哪些研究熱點和難題？

「膠球」在哪裡？

我們都知道，目前的粒子物理標準模型告訴人們，世界上的基本粒子可以分為三大類：夸克、輕子和傳遞相互作用的媒介子，粒子之間的相互作用則可以分為四種——電磁相互作用、弱相互作用、強相互作用和引力相互作用。引力子傳遞引力相互作用，引力在宏觀世界中發揮至關重要的作用，但在微觀世界裡引力的效應非常微弱，我們且不談它。
在傳遞相互作用的媒介子中，根據弱電統一理論，藉助SU(2)XU(1)定域規範對稱性自發破缺的Higgs機制，使破缺的對稱性對應的三個規範玻色子獲得了很大的質量，它們成為傳遞短程弱相互作用的中間玻色子 $W^{pm}, Z^0$ 。而剩餘的對稱性對應的玻色子是無質量的光子，傳遞電磁相互作用。在量子色動力學(QCD)下，膠子是傳遞強相互作用的媒介子，膠子就像「粘合劑」一樣，把夸克們「粘」在一起形成介子和重子，同時，膠子們自己還能聚成一坨，形成膠子的束縛態——「膠球」。膠球的成分不包含夸克，是純粹的膠子「單質」。

量子色動力學、量子求和規則和格點量子都預言了膠球(glueball)、混雜態(hybrid)和多夸克態(multiquark)必須存在，而膠球是否真的存在也成了理論是否正確的試金石。對於膠球來說，據理論計算的結果，基態標量膠球的質量區間大約分布在1000~1800MeV的範圍內，張量和贗標膠球的質量則分布在更高的質量範圍。作為一個研究熱點，當前計算膠球的理論文章如汗牛充棟，人們通過不同的計算方法和途徑來計算膠球的性質，基本上大部分的計算都給出了近似的結果，即基態膠球的質量應該在1000~1800MeV之間。

可能富含膠球的過程如下所示：

以上的費曼圖表示的是最有希望找到膠球的過程—— $J/psi(car{c})$ 粒子的輻射衰變過程。
$J/psi$ 的寬度很窄，它的質量在 $Dar{D}$ 介子對產生閾之下，所以無法衰變到 $Dar{D}$ ；在大部分情況下，它通過OZI壓低的三膠子過程衰變到輕介子。
同時，它也能先輻射一個光子 $gamma$ ，然後通過兩膠子(G)過程衰變為粒子m1, m2...，也就是上圖表示的過程。在輻射衰變中，膠子可以發生自相互作用，且必然能夠組成膠球——如果膠球真的存在的話。

當然還有其他可能富含膠球的過程，例如強子-強子散射過程，質子-反質子湮滅過程等等，這裡且罷不提。

實驗物理學家通過實驗去探測這些過程，已經發現了很多新粒子，作為可能的膠球候選者。這些粒子的量子數包括 $0^{-+}, 0^{++}, 2^{++}$ 等等。這些可能的膠球候選者的性質非常難以捉摸，有些粒子不僅是膠球候選者，也可能是分子態、多夸克態或者普通的介子，例如 $a_0(980), f_0(980)$ 。令人興奮又困惑的是，在理論預言的區間里，人們發現了不止一個候選者，例如被一些人認為最有希望的 $0^{++}$ 態下，可能的候選者就有： $f_0(500), f_0(980), f_0(1370), f_0(1500), f_0(1700)...$

關於誰是真正的膠球，不同的人有不同的意見，不同的意見有贊成的也有反對的，以目前的理論計算來看，理論學家給出了質量的大致區間，對於膠球的其他性質，並無統一的結論，這也讓實驗上難以檢驗哪個才是真的。
膠球是量子色動力學的一個基本預言，儘管實驗的搜尋進行了半個多世紀，人們仍無法下一個最終的結論，到底膠球是不是真的存在，誰是真正的膠球。

Higgs都經被找到了，膠球的問題卻依然任重道遠。幸運的是，中國在尋找膠球的征程中扮演著十分重要的角色。如上所述，粲夸克介子 $J/psi(car{c})$ 粒子的輻射衰變過程被認為是最有希望找到膠球的過程，北京正負電子對撞機(BEPCII)是目前世界上唯一工作在粲物理能區的加速器，工作在加速器上的探測器譜儀——北京譜儀3(BESIII)是性能優良的探測器。北京譜儀國際合作組(BESIII Collobration)聚集了世界上絕大多數的粲物理實驗物理學家，各國研究人員通力合作，利用北京譜儀研究粲物理領域的各種課題，其中的一個重要內容包括尋找膠球。BESII就曾經發現一個可能的候選者，新粒子X(1835)。

截止目前，中國科學家利用北京正負電子對撞機和北京譜儀，已經收集了13億個 $J/psi$ 事例，這是世界上最大的 $J/psi$ 事例樣本。北京正負電子對撞機在改造升級之後，2008年至今已運行了8年多，於2016年4月5日終於達到了它的最終設計亮度。按照設計之初的計劃，今後幾年中國將通過對撞繼續獲得更多數據，最終要獲得100億的 $J/psi$ 事例，這100億數據蘊含著巨大的科學財富，但是這些財富需要通過實驗物理學家的科學分析挖掘出來。歡迎有志向的年輕人能投入高能物理的浪潮中，說不定你能成為物理教科書中發現膠球的那個人。

小弟，看你的骨骼驚奇，是萬中無一的練武奇才，維護世界的和平就靠你了。

【完】

=====以下是廣告=====

相關回答：
世界上第一台對撞機是為達到何種目的而建造的？ - 知乎用戶的回答
為什麼四夸克態是在北京正負電子對撞機發現的？ - 知乎用戶的回答
LHC（大型強子對撞機）可能的後繼者（計劃）有哪些？ - 知乎用戶的回答
新發現的五夸克粒子，讓我們對物質的認知有了那些提升？ - 知乎用戶的回答

尋找QCD相變的臨界點

通過對大量實驗的總結，我們發現強相互作用物質在低能下有兩個重要的性質：

夸克禁閉。在低能下，夸克總是正負成雙構成介子，或者三人同行變成重子（比如質子和重子），但是從來沒有發現單獨的夸克在低能下出現。而描述強相互作用的理論，量子色動力學（QCD）在低能下是強耦合的理論，目前為止我們還無法直接從QCD出發解釋這個現象。這個只能通過有效理論在一程度上唯像的解釋；
真空對稱性自發破缺。u、d夸克的質量實際上非常的小的，只有5Mev左右，但是由三個這樣的夸克構成的質子或者重子質量大約為1000Mev。這個是由於在低能下QCD真空自發破缺，導致手征凝聚的出現，使得重子質量非常大。

以上兩個現象都是低能的，但是當我們把系統的能量加到很高的時候，實驗人員通過對實驗的分析，發現中間會出現夸克膠子等離子體（QGP），在這樣一個物態體系中，沒有重子了，真空對稱性恢復了，並且夸克也從禁閉中被釋放出來了。這樣，從低能到高能就有一個相變的過程，如下圖所示：

上圖中橫坐標是重子數化學勢（正重子減去反重子的數量），縱坐標是溫度。在坐標原點，即重子數化學勢和溫度都為零的時候對應著真空。如果保持化學勢為零，讓溫度升到很高的值，系統就會到QGP，實際上大家相信這就是早期宇宙的狀態。如果保持低溫，增加重子數化學勢，系統會變道色超導態（Color Superconductor），而且大家相信中子星的內部就是這樣的一個狀態。（另外，當兩個中子星合併時就有可能發生這種相變，從而使得發出的引力波攜帶某些信息）從上圖可以看到，當溫度大於某一個值時就一定會出現QGP態。

考慮手征相變，手征凝聚不為0對應真空破缺相，為0則為恢復相。根據熱力學中建立起來的朗道相變理論，這個相變中應該存在一個一級相變的終點，我們把這個相變點叫做臨界點（critical point）。當然，這一切都是大家相信是這樣的，但是目前不管是實驗還是理論，都沒有對這件事情有一個非常明確、確定的結果。理論上都是通過各種有效理論唯像的建模，而實驗上LHC上的實驗組比如ALICE等都有做這個實驗（重離子對撞實驗）。目前的在比較容易的區域數據掃描結果已經出來了，實驗數據已經初步顯示了臨界點存在的可能性，未來兩三年會有專門的實驗進行剩餘區域的掃描，實驗結束之後這個問題或許就能有一個比較確定的結果了。

上一個回答ヾ(?°?°?)??下一個回答

理論的(大)問題說來說去躲不開那幾個。我還是說下實驗的吧。

1。樓上提到的膠球(glueball). 可以參考PDG的review。但是去年夏天的時候我聽過一名台灣的專家報告他的膠球研究。按照他的說法，PDG也就是「極不情願」的承認他的研究是目前最先進的，好像僅僅是在某個腳註里提到，正文並沒有更新...具體並不記得了。

2。中微子測量。

中微子是粒子物理(實驗+理論)最大的坑之一。實驗上的難題有測量三代中微子的質量分別是多少，最輕的中微子有沒有質量？

中微子到底是Majorana還是Dirac，也和實驗密切相關：Majorana中微子會發生所喂neutrinoless double beta decay，現在有幾個實驗項目正在探測這個過程，比如加拿大安大略省的SNO lab。

中微子振蕩的mixing matrix。這是個unitary matrix，有四個變數，三個混合角，一個cp phase。cp phase目前還沒測出來，它的大小和leptogenesis有關。

3。質子衰變。

目前還沒有實驗觀測到質子衰變。質子壽命的下限越來越高。這對一些統一場論的影響很大，比如SU(5) GUT預言質子能通過X boson衰變成中性pion和正電子。同時baryogenesis也面臨考驗，Sakarov condition之一就是baryon number violation。目前還沒有實驗看到B不守恆的現象。

4。(Charged) Lepton flavor violation

LHC搜尋新物理的重點，曾經我做量子黑洞分析就是在這個頻道。標準模型裡面lepton flavor是守恆的，當然這不包括中微子振蕩。但是lepton flavor並不是一個gauge symmetry，所以在很多標準模型之外的模型里，lepton flavor是可以不守恆的。在LHC里考慮LFV通常都是hard process，也就是一個正反夸克對，或者兩個gluon，形成一個中性的resonance，然後再衰變成一個正lepton一個反lepton。在標準模型里，最後的兩個lepton一定是同一種味道，也就是正負電子，正負muon，正負tauon。最著名的過程就是Drell-Yan過程了，夸克對形成一個Z boson再衰變成一對同味道的lepton。在bsm模型里，最後的兩個lepton可以是不同的味道，比如一個e+一個mu-，一個mu-一個tau+。中間態的resonance，像量子黑洞，Z prime boson等等都可以發生LFV。作為hard process，標誌性的特徵是最後的兩個lepton具有很高的transverse momentum，把這個條件一加，就可以過濾掉絕大多數的background，非常乾淨！

因為LFV的信號是標準模型里沒有的，一旦發現，將是bsm的鐵證據。很遺憾到現在ATLAS都還沒有看到可疑的信號。emu組去年在2.2TeV紀錄到了一個event，但是現在這麼久了也就只有這一個。mu-tau組和e-tau組都沒有記錄到1.5TeV以上的event...

再多嘴兩句，實驗上搜尋e+mu-很容易，因為background很乾凈。但是要搜尋有tau就比較tricky了。因為tau有leptonic也有hadronic decay mode，hadronic mode就會出jets，有jets在數據分析上就複雜了...tau identification現在是LHC研究的重點之一。

5。一些硬體技術上的問題。

現在很多人都在夢想50TeV的強子對撞機，但是就目前的技術水平說，這很不現實。就單單磁場這一個環節，就很頭疼了。磁場是用來測帶電粒子的動量，動量越大，粒子在磁場里運行半徑就越大。目前LHC的質子質心能量是13 TeV，ATLAS用的是4T的磁場，CMS用8T的磁場，兩個磁鐵基本都是橫貫整個探測器。你想一想50TeV的對撞機要在探測器里配備強度多大，體積多大的磁鐵。

6。暫時就寫這麼多。。

中微子已經有人說了，那我說一下奇異粒子的問題。
從2000年開始各大實驗室在GeV這個能級上發現了一堆奇異粒子，這些粒子的普遍特點是難以用傳統的夸克模型來解釋。在傳統的夸克模型中，正反夸克組成介子，三個夸克組成重子，而這些新的奇異粒子被認為是四夸克態和五夸克態，所以它們既不是介子也不是重子。這些奇異粒子包括X（3872）、Zc（3900）、Y(3940)、Y（4260）、Y(4274)等等等等等等，如何從理論上解釋這些粒子的存在是個熱門話題。

1，如何提高加速器的能量。
2，如何尋找暗物質和暗能量。
3，如何尋找惰性中微子。

就沒人說個夸克禁閉嗎。。

耦和常數大於1的時候微擾論沒法用了，那該怎麼解？

系統的理論上能算的辦法還沒有吧。

構成暗物質的粒子是什麼