2008 诺贝尔物理奖

1. 2008诺贝尔物理奖 邝宇平 2008.11.20 清华

2. The Nobel Prize in Physics 2008 • "for the discovery of the mechanism of spontaneous broken symmetry in subatomic physics" • "for the discovery of the origin of the broken symmetry which 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）

3. 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

4. •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！

5. 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。

6. 对称性的自发破缺在粒子物理中扮演非常重要的角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？

7. 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！

8. 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—Higgs （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。

9. 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。

10. 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。

11. 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=+1 CP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。

12. 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

13. 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。

14. 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。

15. 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=15 4.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。

16. 谢谢 ！