探索微观物质运动的奥秘

清华大学物理系教授邝宇平

人类对物质微观结构和运动规律的探索，已从探索原子的结构、原子核的结构进入到探索组成质子和中子等的更基本的粒子（夸克、轻子等）的性质。这个研究微观深层次物质结构和物质运动基本规律的学科称为粒子物理或高能物理，它是物理学向纵深发展的最前沿。它的发展对整个物理学以致整个科学的发展都会有深远影响。

20世纪60年代末以来，在理论和实验研究的密切配合下，人们认识到粒子间的强相互作用规律为量子色动力学（QCD），粒子间的电磁相互作用和弱相互作用的规律为电弱统一理论。此二者总称为粒子相互作用的标准模型。标准模型的建立是20世纪物理学发展的重大成果。然而，标准模型中还有一些根本问题尚不清楚。例如，在标准模型的运动方程中一切粒子都是没有质量的。这种理论设想的物理“真空”并非“空无所有” （“真空”不空），而是其中存在一种均匀分布的特殊物质，它造成电弱统一理论中对称性的破缺。这种特殊物质与各种粒子间存在相互作用，使得各种粒子具有质量。现在的实验已间接地测到“真空”不空的效应，但目前的实验还不足以弄清这种特殊物质究竟是甚麽。当前粒子物理研究中最为人们关注的前沿问题就是探索这种特殊物质，也就是探索一切物质质量的起源。这是自牛顿提出质量这一概念以来，人们首次追溯质量的来源。这是个非常深刻且影响深远的基础研究课题，此研究可能会揭示新的物理规律。

最近国际上正在建造和计划建造新的TeV(一万亿电子伏特)能量的超级高能对撞机，以从实验上探索这个奥秘。欧洲核子研究中心(CERN)建造的大型强子对撞机LHC将在2005（或2006）年建成并开始运转。欧洲（德国高能物理所DESY）、亚太地区（日本高能物理所KEK）及美洲（美国国家实验室SLAC）还在积极计划建造各自的新的TeV能量的正负电子直线对撞机（简称直线对撞机），其性能将超过LHC。由于宏观的仪器不能直接跟踪个别微观粒子进行观测，在高能物理研究中理论和实验的密切配合尤为重要。此外，目前在粒子物理理论中还缺乏研究强相互作用的系统的非微扰方法，致使量子色动力学中的许多重要问题还未能有系统的理论计算结果。上述探索“真空”中特殊物质的研究也可能遇到类似的困难。因此寻求可行的非微扰计算方法也是当前粒子物理理论研究中的一个重要前沿课题。可以预见，高能物理的研究将在21世纪产生新的突破。

多年来，物理系粒子理论组的主要研究方向就是围绕国际各高能对撞机上的实验从理论上探索上述重要前沿问题。物理系邝宇平教授自1982年从美国回国到清华大学任教以来，从培养硕士生开始逐步建立起一个团结向上、积极进取的粒子理论研究组。这个组能在各个时期抓住粒子理论中的上述重要前沿问题开展研究，并敢于创新。多年来，这个组在邝宇平教授领导下，在重夸克偶素物理、TeV能区物理、有效拉氏量理论和动力学对称破缺理论等方面做出了国际一流水平的工作（有的工作是国际领先的），受到国际同行的承认和重视。这个组虽人数很少，但发表的论文被国际同行引用超过1100次，包括被不少国际著名物理学家的引用。邝宇平教授有一篇论文被引用175次。这些工作曾被1987年以来的四届国际高能轻子光子会议（高能物理的最高级别国际会议）的大会综述报告引用介绍12次。10次在国际会议作特邀报告。这个组积极参与国际合作，现为德国DESY的TeV能量直线对撞机国际合作研究的正式成员、国际光子对撞机物理研究组正式成员、邝宇平教授为亚太直线对撞机国际研究组的中国联系人（组织人）。他们曾于1998年承办第一届亚太直线对撞机物理/探测器研讨会，邝宇平教授为国际组织委员会主席。

这个组于各个时期在上述各研究方向的研究成果如下：

（一）. 重夸克偶素物理

20世纪70年代末，国际上的对撞机能量还不很高。当时多数实验是检验量子色动力学。1979年，美国康奈尔大学建成一个新的正负电子对撞机CESR，可以研究由b夸克（重夸克）组成的Υ-族介子（重夸克偶素）的性质。CESR的实验可以测量由Υ-族的激发态向低能态跃迁放出轻介子的过程，称为强子跃迁过程（类似于原子由激发态跃迁到低能态放出光子），这可检验量子色动力学中的非微扰动力学过程。CESR的实验组很希望理论家能给出这些过程的理论计算结果。由于这涉及困难的非微扰问题，当时尚没有办法进行这样的计算。邝宇平教授与该校的颜东茂教授一起尝试解决这个难题。他们克服了一系列困难，创造性地在国际上首次建立起重夸克偶素强子跃迁的合理模型和系统的理论计算方法，给出了首批最全面的理论预言。所预言的Υ′→Υππ跃迁相对分支比与CESR实验测得的结果很好相符。从直观估计，一般认为Υ″→Υππ的跃迁相对分支比要比Υ′→Υππ的大的多。而在他们的模型中，由于各中间态的贡献互相抵消，所预言的Υ″→Υππ的跃迁相对分支比远比Υ′→Υππ的要小。这是他们模型的独特预言。当时CESR的实验组不很理解邝-颜的理论预言，曾开玩笑要与他们打赌。但过了几个月，实验测得了Υ″→Υππ的跃迁相对分支比果然很小，数值与邝-颜的预言相符。后来又测得Υ″→Υ′ππ的跃相对迁分支比，也与邝-颜的预言一致。由此，邝-颜的理论受到国际同行广泛的承认和重视。邝-颜1981年发表的第一篇文章迄今已被引用175次，而且直到最近还被引用。

在邝宇平教授到清华任教以后，CESR的实验组又进行了新的实验。他们进一步测得各个跃迁的绝对跃迁几率，结果比邝-颜第一篇文章的预言值明显地大。为了改进邝-颜第一篇文章的单通道理论，邝宇平教授又带领研究生周宏毅研究耦合道效应对强子跃迁的影响。经过工作量很大的计算，他们在国际上首先建立起含耦合道效应的强子跃迁理论，其中不但包含了邝-颜的单通道理论，而且含有该理论以外的新强子跃迁机制。计算出的Υ′→Υππ,Υ″→Υ′ππ和Υ″→Υππ的绝对几率都与CESR的实验相符很好，显著改进了邝－颜原始理论的预言。此外，这个耦合道理论还能解释CESR的一些其它实验结果。CESR的实验组在他们1994年的论文中详细介绍了周-邝的文章，并在他们以后的文章中都以周-邝的理论作为与他们实验比较的理论。

此外，邝宇平教授与易余萍教授一起又在国际上首次建立起QCD多极展开理论的量子场论形式，把邝-颜的理论推广到能处理强子跃迁以外的其它过程。他们将此新理论用于研究J/ψ→γη的衰变过程，所得的衰变的几率与实验很好相符，克服了传统微扰QCD预言比实验小一个量级的问题。

邝宇平教授还带领研究生陈裕启提出一个QCD意义更清楚的重夸克势模型，所得ψ-族（由c夸克组成的介子）和Υ-族的能谱、轻子宽度等与实验的相符程度优于已有的势模型。所预言的hc介子的质量与后来费米实验室测得的正好一致。他们还给出重夸克间自旋相关作用的普遍结构及新的自旋相关作用势的公式，过去文献中已有的公式都是他们公式在一定近似下的特例。陈-邝发表的一系列文章也一直受到国际同行很多引用。

这个领域发表的论文已被引用380次以上。

（二）．TeV能区物理

20世纪90年代，国际上决定一些TeV能量的高能对撞机上马，其目标是要弄清人们所最关注的电弱理论中的对称破缺机制，即质量起源问题。在这样的新形式下，邝宇平教授果断决定带领粒子理论组将主要研究方向转移到这个当前国际上粒子物理研究最重要的前沿课题上来。

在标准模型中是将真空中的特殊物质设想为一种称为Higgs场的标量场。Higgs场的激发表现为一个电中性的无自旋粒子，称为Higgs玻色子。这是实验上可以探测的。标准模型不能预言Higgs玻色子有多重，因此实验上要在各种能区去寻找Higgs玻色子。若Higgs玻色子较轻，则它表现为一个窄的共振态，实验上较易探测。若Higgs玻色子很重，或真空中的特殊物质不是Higgs场，则需要通过其它办法来探测，这可能涉及非微扰的理论计算。由于标准模型的Higgs场理论存在一些不自洽之处，人们一般相信电弱理论的对称破缺机制可能涉及超出标准模型的新物理规律。因此这项研究很可能导致新的突破。

国际上已有大量的理论研究探讨如何在对撞机LHC上寻找轻的Higgs玻色子。若Higgs玻色子的质量在140 GeV以下，在实验上寻找最为困难。较好的寻找过程之一是探测Higgs玻色子与t-夸克对的联合产生。人们对此过程的信号计算得比较仔细，但对探测背景的研究尚有疏忽。在研究生周宏毅作博士论文时，与邝宇平教授一起认真地研究了这种探测背景的大小，发现有些被人们忽视的背景实际上是很大的，会掩盖掉信号。他们指出要压低背景突出信号，必须将光子探测器的分辨率提高到1％的水平。这个结论被当时美国的GEM探测器研究组所采纳。廖益副教授在与德国DESY合作中研究了如何在高能对撞机的实验中检验Higgs玻色子与重夸克间的相互作用强度的问题。德国DESY对廖益在合作中的重要贡献给予高度评价。

若Higgs玻色子很重或实际上不存在Higgs玻色子，则探测电弱理论的对称破缺机制需要通过测量传递弱相互作用的W玻色子的纵分量的反应来推断。W玻色子纵分量反应与电弱理论对称破缺机制之间的独立关系称为等价定理。这是粒子物理中的一个重要定理，它不但是上述探测的关键环节，而且是一个简化理论计算的有利工具。此定理最初是在70年代在最低阶微扰的近似下被证明的。80年代，有两位美国物理学家在他们的一篇著名的文章中声称他们证明了原最低阶微扰下的定理形式在任意阶微扰下都成立。于是有很多人利用这篇文章的结论进行在高能对撞机上探测电弱理论对称破缺机制的理论研究。然而，1989年有人进行了高阶微扰的具体计算，发现所得结果与定理声称的不同，因而引起争论。当时研究生何红建正在邝宇平教授指导下作博士论文。他们决心要把这个争论弄清楚（中科院理论物理研究所的李小源教授也参加了讨论）。他们仔细分析了双方计算的每一个细节，发现两位美国物理学家对定理的证明存在关键性的漏洞。于是他们做了很大努力，从头开始给该定理以严格正确的证明。他们证明了包含高阶微扰贡献后，等价定理并不具有原来最低阶近似的形式，而且定理的成立条件也与文献中声称的不同。他们还具体指出使用过去的不正确的“等价定理”结论来进行电弱理论对称破缺机制的探索会造成相当大的误差。这样，他们首次在国际上正确严格证明了标准模型中的等价定理。纠正了原定理证明和表述的重要错误，给出定理成立的正确条件。这篇论文的短文很快就在Phys.Rev.Lett.上发表，详细的长文后来发表在Phys.Rev.D上。这项工作很快受到国际同行的承认和重视，被频繁引用，迄今已被引用159次。由于现在还不知道标准模型中设想的Higgs场模型是否正确，所以仅仅有了标准模型中的正确等价定理对探测客观世界的电弱理论对称破缺机制还是不够的。于是他们继续将研究推广到可以包含超出标准模型的新物理的普遍电弱手征拉氏量理论。他们又严格证明了电弱手征拉氏量理论中的等价定理，由此可以对电弱对称破缺机制进行与模型无关的普遍探索。后来国外的综述文章在提到等价定理时说“等价定理的表述曾相继被……研究过，而由何-邝-李的一系列文章所完成。”

何红建和邝宇平继而又从所得到的正确等价定理表达式中发现等价定理还可以用来作为通过W玻色子纵分量探测电弱理论对称破缺机制的灵敏度的判据，这个重要用途是过去人们不知道的。他们又与美国密芝安州立大学的袁简鹏教授一起将研究沿这个方向深入下去。他们首先发展了一个新的幂次法则可以方便地对各种过程进行半定量计算。然后由此对在未来的TeV能量对撞机LHC和直线对撞机上可能测量的各种W玻色子纵分量反应的探测灵敏度进行了全面系统的分析，为未来的实验提供有用的信息。根据他们的分析，可以选择在LHC和直线对撞机上的一系列灵敏的过程进行测量，把电弱手征拉氏量中的各个未知系数从实验上确定下来。这样可以得知反映客观世界电弱理论对称破缺机制的电弱手征拉氏量具体是甚麽样子。然后可以再来研究甚麽基本理论模型对应着这样的手征拉氏量而完成电弱理论对称破缺机制的探索。这样的全面分析在国际上还是第一次。这批工作也受到国际同行的承认和重视，论文被大量引用。

除此之外，邝宇平教授还指导在职博士生岳崇兴、王学雷对在未来的对撞机LHC和直线对撞机上如何探测一些具体的电弱理论对称破缺模型，以及如何从实验上区分这些模型进行了研究。所得结论在有关的国际会议上被国际同行所引用。

这个领域发表的论文已被引用420次以上。

（三）有效拉氏量理论和动力学对称破缺理论

如上所述，一旦在未来的对撞机LHC和直线对撞机上由实验确定出电弱手征拉氏量的各系数，我们还需要研究甚麽基本理论模型对应着这样的手征拉氏量以完成电弱理论对称破缺机制的探索。这实际上是个很困难的非微扰计算问题，目前尚不存在这样的理论研究。这个问题类似于要从量子色动力学基本原理出发来推导和计算出介子手征拉氏量中的系数，这是个多年来人们一直想研究而未能解决的粒子物理重要难题。为了将研究向前推进，王青教授和邝宇平教授不畏艰难向这个难题冲击。经过几年的不懈努力，最近他们终于成功地发展了一系列新的技巧，在不作近似下由量子色动力学的第一原理出发推导出介子的手征拉氏量，将手征拉氏量中的各系数都用量子色动力学中的一些基本物理量表达出来。这样的工作在国际上属首次。此工作已经受到一些国际同行的称赞。目前他们正在带领研究生设法计算出这些量子色动力学中的基本物理量，从而计算出介子手征拉氏量的各个系数，并将所发展的方法用于研究电弱手征拉氏量，以完成探索电弱理论对称破缺机制的整个研究计划。

与上述研究有关的另一个研究课题是动力学对称破缺理论的研究。它涉及对量子色动力学中手征对称性自发破缺及强耦合电弱对称破缺机制等重要基本问题的研究。这也属于非微扰方法的探讨。邝宇平、王青、何红建、易余萍等自80年代以来一直把它作为一个长期研究的课题。多年来他们在这个领域也做出了有创新性的工作。

这个领域发表的论文已被引用70次以上。

在邝宇平教授领导下的物理系粒子理论组多年来在粒子物理的几个重要领域做出了受到国际同行承认和重视的一流工作。现在这个组正团结一致、斗志昂扬、踏踏实实地向前迈进。他们有许多好的设想要实现，有许多有趣的课题要完成。他们热切地期盼着有志于基础研究的优秀人材加入他们的队伍，为美好的科学事业而共同奋斗。