中國科學(xué)院大學(xué)高能物理研究所學(xué)科簡(jiǎn)介

二級(jí)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(yùn)動(dòng)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(jì)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(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)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(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC的完成，新一代大型天文望遠(yuǎn)鏡的建成，引力波探測(cè)實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)，以及數(shù)個(gè)未來的大型實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的實(shí)施，我們有機(jī)會(huì)探測(cè)到超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，精確測(cè)量宇宙極早期大爆炸的余輝，研究遙遠(yuǎn)宇宙空間的黑洞和其它奇異天體。越來越多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將給理論物理學(xué)家更多的啟示，我們對(duì)自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)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(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)單位。長(zhǎng)期以來，與國內(nèi)外大型加速器上的實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，并承擔(dān)北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)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(shí)的研究基礎(chǔ)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯繉W(xué)風(fēng)，在國際上具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(qiáng)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(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)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(yàn)及超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的尋找是我們的一個(gè)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(cè)量和CP破壞現(xiàn)象及其機(jī)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(jí)B工廠將為該領(lǐng)域的研究提供重要的實(shí)驗(yàn)支撐。中微子具有微小質(zhì)量已經(jīng)被中微子振蕩實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，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(shí)驗(yàn)證據(jù)，中微子質(zhì)量起源及混合機(jī)制的研究是目前粒子物理研究的熱點(diǎn)。尤其最近大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)首次精確測(cè)量到中微子混合角對(duì)中微子混合機(jī)制及相關(guān)CP破壞的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和理論研究起到重要推動(dòng)作用。另外，希格斯粒子是標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言存在并對(duì)質(zhì)量起源起決定性作用的粒子，LHC實(shí)驗(yàn)近期將對(duì)其存在與否做出結(jié)論，這將實(shí)質(zhì)性推動(dòng)未來粒子物理理論的發(fā)展。總之，今后一段時(shí)期將是粒子物理研究的激動(dòng)人心的重要時(shí)期。

QCD的微擾場(chǎng)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?cè)谖_場(chǎng)論的計(jì)算機(jī)自動(dòng)化計(jì)算及粒子物理唯象學(xué)研究方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，開發(fā)的自動(dòng)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(jìn)展。

QCD的低能性質(zhì)的研究需要非微擾方法。格點(diǎn)QCD是目前公認(rèn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模的Monte Carlo數(shù)值模擬研究。我們的研究?jī)?nèi)容是輕強(qiáng)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(qiáng)子態(tài)的相關(guān)課題。我們密切聯(lián)系北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)和北京譜儀的重要物理實(shí)驗(yàn)，立足于國內(nèi)已經(jīng)建立或在建的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)實(shí)的研究，在產(chǎn)出物理成果的同時(shí)，也培養(yǎng)高性能科學(xué)計(jì)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(duì)象是強(qiáng)相互作用系統(tǒng)。強(qiáng)相互作用，又稱強(qiáng)力或強(qiáng)核力是自然界四種基本相互作用中最強(qiáng)的相互作用力。描述強(qiáng)相互作用的基本理論是量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）。強(qiáng)相互作用主要存在于兩個(gè)區(qū)域：一是存在于較大的1到3個(gè)費(fèi)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(gè)費(fèi)米（核子大小），強(qiáng)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(qiáng)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(yùn)動(dòng)規(guī)律。高能核物理的主要研究對(duì)象是以夸克、膠子為基本自由度組成的強(qiáng)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(qiáng)子，討論QCD真空中的手征對(duì)稱性自發(fā)破缺機(jī)制和色禁閉機(jī)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(duì)論重離子碰撞實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(jì)物理學(xué)和天文學(xué)研究的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。 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(jī)制，暗物質(zhì)、暗能量的物理本質(zhì)，粒子質(zhì)量的產(chǎn)生機(jī)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(duì)論、引力與弦理論

量子引力是研究如何成功地將引力場(chǎng)量子化的理論，其核心課題是怎樣將廣義相對(duì)論與量子力學(xué)協(xié)調(diào)起來，并建立起一個(gè)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(shí)現(xiàn)的夢(mèng)想，也是理論物理學(xué)家現(xiàn)在依然在追求的一個(gè)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(gè)主要途徑，也是我們研究的領(lǐng)域。研究?jī)?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(duì)黑洞物理和極早期宇宙的影響，超弦理論中的AdS/CFT對(duì)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(dòng)力學(xué)、非局域算符與彎曲時(shí)空背景中的經(jīng)典弦或膜解的對(duì)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(duì)性原理是物理學(xué)的基石，基于相對(duì)性原理及光速不變?cè)恚粌H可以建立起愛因斯坦狹義相對(duì)論，還可以建立起de Sitter不變的或反de Sitter不變的狹義相對(duì)論，以及更多的可能運(yùn)動(dòng)學(xué)。將狹義相對(duì)論局域化，可以建立起引力規(guī)范理論，它們是廣義相對(duì)論的替代理論。這些構(gòu)成我們研究的另一個(gè)方向。

l  強(qiáng)子物理理論：

我所強(qiáng)子物理理論研究集中在研究強(qiáng)子的產(chǎn)生、衰變機(jī)制，強(qiáng)子內(nèi)部的夸克-膠子結(jié)構(gòu)和強(qiáng)子譜學(xué)，以及可能存在的新強(qiáng)子態(tài)。強(qiáng)子，包括介子和重子，是能從物質(zhì)中分離出來的、已觀測(cè)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(shí)驗(yàn)的發(fā)展，許多新的介子和重子共振態(tài)在實(shí)驗(yàn)上被發(fā)現(xiàn)，極大地推動(dòng)了強(qiáng)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(jiǎn)單的三夸克（重子）或正反夸克對(duì)（介子）的圖像給出合理的解釋。這些態(tài)的產(chǎn)生機(jī)制和性質(zhì)可能與QCD手征對(duì)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)相互作用在非微擾區(qū)域的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，這方面的研究是當(dāng)前強(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)中國科學(xué)院研究生院對(duì)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(chǎng)論、粒子物理理論、統(tǒng)計(jì)物理、有限溫度場(chǎng)論、廣義相對(duì)論、微分幾何、群論、超弦理論等。