中國科學(xué)院大學(xué)高能物理研究所學(xué)科簡介

二級學(xué)科中文名稱：   理論物理

英文名稱：   Theoretical physics

一、學(xué)科概況

理論物理是從理論上探索自然界未知的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、相互作用和物質(zhì)運動的基本規(guī)律的學(xué)科。研究領(lǐng)域涉及粒子物理與原子核物理、統(tǒng)計物理、凝聚態(tài)物理、宇宙學(xué)等，幾乎包括物理學(xué)所有分支的基本理論問題。理論物理一方面探索基本粒子的運動規(guī)律，同時也探索各種復(fù)雜條件下物理規(guī)律的表現(xiàn)形式。隨著大型強子對撞機LHC的完成，新一代大型天文望遠鏡的建成，引力波探測實驗的推進，以及數(shù)個未來的大型實驗計劃的實施，我們有機會探測到超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，精確測量宇宙極早期大爆炸的余輝，研究遙遠宇宙空間的黑洞和其它奇異天體。越來越多的實驗結(jié)果將給理論物理學(xué)家更多的啟示，我們對自然規(guī)律的認識將邁入新的層次。高能所理論物理室，是我國粒子物理與核物理理論最重要的研究基地之一,是科學(xué)院一期知識創(chuàng)新工程試點單位。長期以來，與國內(nèi)外大型加速器上的實驗緊密結(jié)合，并承擔(dān)北京正負電子對撞機相關(guān)物理的理論研究工作，形成了以唯象研究為主的研究特色。其研究人員具有非常扎實的研究基礎(chǔ)，嚴謹?shù)难芯繉W(xué)風(fēng)，在國際上具有很強的競爭能力。

二、學(xué)科內(nèi)涵與特色

l  粒子物理理論：

粒子物理理論的研究對象是微觀世界中的三種基本相互作用，即電磁相互作用、弱相互作用和強相互作用；基本理論框架是描述電磁和弱相互作用的電弱統(tǒng)一理論，以及描述強相互作用的量子色動力學(xué)（QCD），這二者統(tǒng)稱為粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。

標(biāo)準(zhǔn)模型的精確檢驗及超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的尋找是我們的一個重要研究方向，主要研究領(lǐng)域包括重味(B與D介子)物理及CP破壞、中微子物理學(xué)、輕子和夸克質(zhì)量起源問題以及TeV能標(biāo)新物理唯象學(xué)等。CKM矩陣元的精確測量和CP破壞現(xiàn)象及其機制是重味物理研究的重要內(nèi)容，也是尋找新物理的重要窗口，B工廠、LHC和未來超級B工廠將為該領(lǐng)域的研究提供重要的實驗支撐。中微子具有微小質(zhì)量已經(jīng)被中微子振蕩實驗所證實，這也是目前唯一確定的存在超出標(biāo)準(zhǔn)模型新物理的實驗證據(jù)，中微子質(zhì)量起源及混合機制的研究是目前粒子物理研究的熱點。尤其最近大亞灣中微子實驗首次精確測量到中微子混合角對中微子混合機制及相關(guān)CP破壞的進一步實驗和理論研究起到重要推動作用。另外，希格斯粒子是標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言存在并對質(zhì)量起源起決定性作用的粒子，LHC實驗近期將對其存在與否做出結(jié)論，這將實質(zhì)性推動未來粒子物理理論的發(fā)展?？傊窈笠欢螘r期將是粒子物理研究的激動人心的重要時期。

QCD的微擾場論方法在重味物理、重夸克偶素物理以及LHC物理研究方面有重要的應(yīng)用。我們在微擾場論的計算機自動化計算及粒子物理唯象學(xué)研究方面進行了系統(tǒng)的研究，開發(fā)的自動化系統(tǒng)FDC已經(jīng)成熟并在國際上產(chǎn)生影響，相關(guān)物理研究正在取得重要進展。

QCD的低能性質(zhì)的研究需要非微擾方法。格點QCD是目前公認的從第一原理出發(fā)的研究QCD非微擾效應(yīng)的重要理論方法，其主要研究手段是基于大型并行計算機系統(tǒng)進行大規(guī)模的Monte Carlo數(shù)值模擬研究。我們的研究內(nèi)容是輕強子物理、D介子物理和粲偶素物理以及B介子物理，尤其關(guān)注膠球、混雜態(tài)和多夸克態(tài)等奇特強子態(tài)的相關(guān)課題。我們密切聯(lián)系北京正負電子對撞機和北京譜儀的重要物理實驗，立足于國內(nèi)已經(jīng)建立或在建的超級計算機系統(tǒng)進行現(xiàn)實的研究，在產(chǎn)出物理成果的同時，也培養(yǎng)高性能科學(xué)計算的應(yīng)用人才。

l  原子核物理：

研究方向：高能核物理。

高能核物理的主要研究對象是強相互作用系統(tǒng)。強相互作用，又稱強力或強核力是自然界四種基本相互作用中最強的相互作用力。描述強相互作用的基本理論是量子色動力學(xué)（QCD）。強相互作用主要存在于兩個區(qū)域：一是存在于較大的1到3個費米尺度，它將核子（包括質(zhì)子和中子）束縛成原子核；另外存在于較小的尺度，譬如說小于0.8個費米（核子大小），強相互作用力通過膠子將夸克束縛成質(zhì)子、中子以及其它的強子。

傳統(tǒng)的核物理主要以核子為基本自由度研究原子核的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、相互作用及運動規(guī)律。高能核物理的主要研究對象是以夸克、膠子為基本自由度組成的強相互作用體系。 我們研究的課題包括探討夸克、膠子如何形成強子，討論QCD真空中的手征對稱性自發(fā)破缺機制和色禁閉機制（即著名的色禁閉難題）；研究熱密環(huán)境下由夸克、膠子組成的新的物質(zhì)形態(tài)，如存在于宇宙早期及產(chǎn)生于相對論重離子碰撞實驗RHIC和LHC的夸克膠子等離子體，以及可能存在于致密星體內(nèi)部的奇異夸克物質(zhì)和色超導(dǎo)態(tài)；我們研究新的物質(zhì)形態(tài)的熱力學(xué)性質(zhì)和輸運性質(zhì)，研究手征相變、退禁閉相變以及QCD在有限溫度密度區(qū)間的相結(jié)構(gòu)。

l  粒子宇宙學(xué)：  

粒子物理和宇宙學(xué)相互交叉研究是二十一世紀物理學(xué)和天文學(xué)研究的一個重要發(fā)展趨勢。 粒子宇宙學(xué)將粒子物理和宇宙學(xué)、 極大與極小結(jié)合起來研究宇宙物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)和宇宙演化的物理規(guī)律； 探討反彈宇宙、暴漲宇宙的物理機制，暗物質(zhì)、暗能量的物理本質(zhì)，粒子質(zhì)量的產(chǎn)生機制和反物質(zhì)的丟失之謎等。

l  數(shù)學(xué)物理理論：

研究方向：相對論、引力與弦理論

量子引力是研究如何成功地將引力場量子化的理論，其核心課題是怎樣將廣義相對論與量子力學(xué)協(xié)調(diào)起來，并建立起一個能夠描述自然界中所有相互作用的統(tǒng)一理論。這是愛因斯坦后半生想要實現(xiàn)的夢想，也是理論物理學(xué)家現(xiàn)在依然在追求的一個主要目標(biāo)。量子引力和超弦理論是當(dāng)今通住這一目標(biāo)的兩個主要途徑，也是我們研究的領(lǐng)域。研究內(nèi)容包括：量子引力基礎(chǔ)理論的構(gòu)建，量子引力效應(yīng)對黑洞物理和極早期宇宙的影響，超弦理論中的AdS/CFT對應(yīng)、量子引力的全息性質(zhì)、規(guī)范理論和超弦理論的非微擾動力學(xué)、非局域算符與彎曲時空背景中的經(jīng)典弦或膜解的對應(yīng)、量子引力的全息性質(zhì)在凝聚態(tài)理論中的應(yīng)用等。

相對性原理是物理學(xué)的基石，基于相對性原理及光速不變原理，不僅可以建立起愛因斯坦狹義相對論，還可以建立起de Sitter不變的或反de Sitter不變的狹義相對論，以及更多的可能運動學(xué)。將狹義相對論局域化，可以建立起引力規(guī)范理論，它們是廣義相對論的替代理論。這些構(gòu)成我們研究的另一個方向。

l  強子物理理論：

我所強子物理理論研究集中在研究強子的產(chǎn)生、衰變機制，強子內(nèi)部的夸克-膠子結(jié)構(gòu)和強子譜學(xué)，以及可能存在的新強子態(tài)。強子，包括介子和重子，是能從物質(zhì)中分離出來的、已觀測到具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最小單元。近年來，隨著高能物理實驗的發(fā)展，許多新的介子和重子共振態(tài)在實驗上被發(fā)現(xiàn)，極大地推動了強子物理這一領(lǐng)域的發(fā)展，相當(dāng)一部分粒子的產(chǎn)生和衰變模式表現(xiàn)出奇特的性質(zhì)，其結(jié)構(gòu)不能用簡單的三夸克（重子）或正反夸克對（介子）的圖像給出合理的解釋。這些態(tài)的產(chǎn)生機制和性質(zhì)可能與QCD手征對稱性自發(fā)破缺密切相關(guān)，也可能是奇特態(tài)（如：膠子球、四夸克態(tài)或分子態(tài)）的候選者。結(jié)合實驗在理論上研究這些奇特態(tài)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)、尋找SU(3)夸克模型預(yù)言的“失蹤”的重子激發(fā)態(tài)可以幫助我們深入了解強相互作用在非微擾區(qū)域的動力學(xué)性質(zhì)，這方面的研究是當(dāng)前強子物理的重大前沿課題之一，也是人類探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的最前沿。這方面的理論研究將為國內(nèi)和國際高能物理實驗設(shè)施，例如：BEPCII,CLEO-c, B介子工廠，LHC-b，JLab, ELSA, MAMI等，提供重要的理論指導(dǎo)和支持。

三、培養(yǎng)對象與目標(biāo)

培養(yǎng)學(xué)術(shù)型碩士、博士研究生。

本領(lǐng)域貫徹德、智、體全面發(fā)展的方針，特別注重研究生在理論物理的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，全面落實中國科學(xué)院研究生院對研究生培養(yǎng)目標(biāo)的一般要求。

前置學(xué)科基礎(chǔ)：量子力學(xué)、量子場論、粒子物理理論、統(tǒng)計物理、有限溫度場論、廣義相對論、微分幾何、群論、超弦理論等。

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