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学科简介
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理论物理学

二级学科中文名称:理论物理
英文名称:Theoreticalphysics

    一、学科概况
    
理论物理是从理论上探索自然界未知的物质结构、相互作用和物质运动的基本规律的学科。研究领域涉及粒子物理与原子核物理、统计物理、凝聚态物理、宇宙学等,几乎包括物理学所有分支的基本理论问题。理论物理一方面探索基本粒子的运动规律,同时也探索各种复杂条件下物理规律的表现形式。随着大型强子对撞机LHC的完成,新一代大型天文望远镜的建成,引力波探测实验的推进,以及数个未来的大型实验计划的实施,我们有机会探测到超出标准模型的新物理,精确测量宇宙极早期大爆炸的余辉,研究遥远宇宙空间的黑洞和其它奇异天体。越来越多的实验结果将给理论物理学家更多的启示,我们对自然规律的认识将迈入新的层次。高能所理论物理室,是我国粒子物理与核物理理论最重要的研究基地之一,是科学院一期知识创新工程试点单位。长期以来,与国内外大型加速器上的实验紧密结合,并承担北京正负电子对撞机相关物理的理论研究工作,形成了以唯象研究为主的研究特色。其研究人员具有非常扎实的研究基础,严谨的研究学风,在国际上具有很强的竞争能力。
    二、学科内涵与特色
  ★粒子物理理论
    粒子物理理论的研究对象是微观世界中的三种基本相互作用,即电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用;基本理论框架是描述电磁和弱相互作用的电弱统一理论,以及描述强相互作用的量子色动力学(QCD),这二者统称为粒子物理的标准模型。
    标准模型的精确检验及超出标准模型的新物理的寻找是我们的一个重要研究方向,主要研究领域包括重味(B与D介子)物理及CP破坏、中微子物理学、轻子和夸克质量起源问题以及TeV能标新物理唯象学等。CKM矩阵元的精确测量和CP破坏现象及其机制是重味物理研究的重要内容,也是寻找新物理的重要窗口,B工厂、LHC和未来超级B工厂将为该领域的研究提供重要的实验支撑。中微子具有微小质量已经被中微子振荡实验所证实,这也是目前唯一确定的存在超出标准模型新物理的实验证据,中微子质量起源及混合机制的研究是目前粒子物理研究的热点。尤其最近大亚湾中微子实验首次精确测量到中微子混合角对中微子混合机制及相关CP破坏的进一步实验和理论研究起到重要推动作用。另外,希格斯粒子是标准模型预言存在并对质量起源起决定性作用的粒子,LHC实验近期将对其存在与否做出结论,这将实质性推动未来粒子物理理论的发展。总之,今后一段时期将是粒子物理研究的激动人心的重要时期。
    QCD的微扰场论方法在重味物理、重夸克偶素物理以及LHC物理研究方面有重要的应用。我们在微扰场论的计算机自动化计算及粒子物理唯象学研究方面进行了系统的研究,开发的自动化系统FDC已经成熟并在国际上产生影响,相关物理研究正在取得重要进展。
    QCD的低能性质的研究需要非微扰方法。格点QCD是目前公认的从第一原理出发的研究QCD非微扰效应的重要理论方法,其主要研究手段是基于大型并行计算机系统进行大规模的MonteCarlo数值模拟研究。我们的研究内容是轻强子物理、D介子物理和粲偶素物理以及B介子物理,尤其关注胶球、混杂态和多夸克态等奇特强子态的相关课题。我们密切联系北京正负电子对撞机和北京谱仪的重要物理实验,立足于国内已经建立或在建的超级计算机系统进行现实的研究,在产出物理成果的同时,也培养高性能科学计算的应用人才。
  ★原子核物理
    研究方向:高能核物理。
    高能核物理的主要研究对象是强相互作用系统。强相互作用,又称强力或强核力是自然界四种基本相互作用中最强的相互作用力。描述强相互作用的基本理论是量子色动力学(QCD)。强相互作用主要存在于两个区域:一是存在于较大的1到3个费米尺度,它将核子(包括质子和中子)束缚成原子核;另外存在于较小的尺度,譬如说小于0.8个费米(核子大小),强相互作用力通过胶子将夸克束缚成质子、中子以及其它的强子。
    传统的核物理主要以核子为基本自由度研究原子核的性质、结构、相互作用及运动规律。高能核物理的主要研究对象是以夸克、胶子为基本自由度组成的强相互作用体系。我们研究的课题包括探讨夸克、胶子如何形成强子,讨论QCD真空中的手征对称性自发破缺机制和色禁闭机制(即著名的色禁闭难题);研究热密环境下由夸克、胶子组成的新的物质形态,如存在于宇宙早期及产生于相对论重离子碰撞实验RHIC和LHC的夸克胶子等离子体,以及可能存在于致密星体内部的奇异夸克物质和色超导态;我们研究新的物质形态的热力学性质和输运性质,研究手征相变、退禁闭相变以及QCD在有限温度密度区间的相结构。
  ★粒子宇宙学
    粒子物理和宇宙学相互交叉研究是二十一世纪物理学和天文学研究的一个重要发展趋势。粒子宇宙学将粒子物理和宇宙学、极大与极小结合起来研究宇宙物质的基本结构和宇宙演化的物理规律;探讨反弹宇宙、暴涨宇宙的物理机制,暗物质、暗能量的物理本质,粒子质量的产生机制和反物质的丢失之谜等。
  ★数学物理理论
    研究方向:相对论、引力与弦理论
    量子引力是研究如何成功地将引力场量子化的理论,其核心课题是怎样将广义相对论与量子力学协调起来,并建立起一个能够描述自然界中所有相互作用的统一理论。这是爱因斯坦后半生想要实现的梦想,也是理论物理学家现在依然在追求的一个主要目标。量子引力和超弦理论是当今通住这一目标的两个主要途径,也是我们研究的领域。研究内容包括:量子引力基础理论的构建,量子引力效应对黑洞物理和极早期宇宙的影响,超弦理论中的AdS/CFT对应、量子引力的全息性质、规范理论和超弦理论的非微扰动力学、非局域算符与弯曲时空背景中的经典弦或膜解的对应、量子引力的全息性质在凝聚态理论中的应用等。
    相对性原理是物理学的基石,基于相对性原理及光速不变原理,不仅可以建立起爱因斯坦狭义相对论,还可以建立起deSitter不变的或反deSitter不变的狭义相对论,以及更多的可能运动学。将狭义相对论局域化,可以建立起引力规范理论,它们是广义相对论的替代理论。这些构成我们研究的另一个方向。
  ★强子物理理论:
    我所强子物理理论研究集中在研究强子的产生、衰变机制,强子内部的夸克-胶子结构和强子谱学,以及可能存在的新强子态。强子,包括介子和重子,是能从物质中分离出来的、已观测到具有内部结构的最小单元。近年来,随着高能物理实验的发展,许多新的介子和重子共振态在实验上被发现,极大地推动了强子物理这一领域的发展,相当一部分粒子的产生和衰变模式表现出奇特的性质,其结构不能用简单的三夸克(重子)或正反夸克对(介子)的图像给出合理的解释。这些态的产生机制和性质可能与QCD手征对称性自发破缺密切相关,也可能是奇特态(如:胶子球、四夸克态或分子态)的候选者。结合实验在理论上研究这些奇特态的结构和性质、寻找SU(3)夸克模型预言的“失踪”的重子激发态可以帮助我们深入了解强相互作用在非微扰区域的动力学性质,这方面的研究是当前强子物理的重大前沿课题之一,也是人类探索物质微观结构的最前沿。这方面的理论研究将为国内和国际高能物理实验设施,例如:BEPCII,CLEO-c,B介子工厂,LHC-b,JLab,ELSA,MAMI等,提供重要的理论指导和支持。
    三、培养对象与目标
    培养学术型硕士、博士研究生。
    本领域贯彻德、智、体全面发展的方针,特别注重研究生在理论物理的综合素质和创新能力培养,全面落实中国科学院研究生院对研究生培养目标的一般要求。
    前置学科基础:量子力学、量子场论、粒子物理理论、统计物理、有限温度场论、广义相对论、微分几何、群论、超。