简介：粒子物理课题组以组成物质世界的基本粒子及它们之间的相互作用为研究对象，针对重味物理、中微子和暗物质领域的重大科学问题开展理论与实验研究，精确检验标准模型，寻找超出标准模型的新物理。
成员：陈凯，陈绍龙，渡边谅太郎，龚畅，李新强，魏焰冰，谢跃红，杨亚东，尹航，袁兴博，张冬亮，周晓康。
粒子物理标准模型是迄今为止人类理解物质最深层次结构和最基本相互作用的集大成之作。尽管标准模型取得了巨大成功，但仍存在一些未能解答的基本问题，比如：宇宙为什么由正物质主导？为什么存在三代夸克？费米子如何获得质量？暗物质与暗能量的本质是什么？等等。精确检验标准模型及寻找超出标准模型的新物理信号是当前粒子物理研究最重要的前沿问题之一。以理解夸克和轻子性质为主要目标的味物理研究提供了探索新物理的理想途径，可以帮助我们回答两个重要的基本问题：是否存在标准模型以外的电荷共轭-宇称（CP）对称性破坏机制；是否存在对味结构敏感的超出标准模型的新粒子或新相互作用。
为研究相关问题，华师粒子物理研究团队参与了欧洲核子研究中心大型强子对撞机（LHC）上的LHCb实验，以及北京正负电子对撞机（BEPC）上的BESIII实验，对相关问题开展了系统性的研究；同时，通过理论与实验相结合的方式，充分利用正在运行、且以重味物理为研究目标的LHCb和Belle II等国际实验大科学装置上的高精度实验测量结果，结合理论计算和模型预言，对上述问题进行探究，进而精确检验标准模型和寻找超出标准模型的新物理。
目前，粒子物理团队共有10名成员，形成了以杨亚东教授为学术带头人的理论团队（包括陈绍龙教授、李新强教授、袁兴博副教授、RyotaroWatanabe【渡边谅太郎】副教授）和以谢跃红教授为学术带头人的实验团队（包括尹航教授、陈凯教授、张冬亮副教授、周晓康副教授），重点开展重味物理理论和唯象研究，中微子和暗物质物理的唯象研究，欧洲核子研究中心LHCb实验的物理研究，我国的BESIII实验的物理研究，以及先进粒子探测器的研发。
1.重味物理研究：重味物理研究一直是国际高能物理研究的前沿和热点，是精确检验标准模型和间接寻找超出标准模型的新物理信号的有力手段，也是LHCb和Belle II的主要物理目标。由杨亚东教授领导的团队（包括李新强教授、袁兴博副教授、RyotaroWatanabe副教授）对各种重味强子的混合和衰变过程开展理论与实验相结合的系统性研究，深入理解物质和反物质在性质上的细微差别，寻找超出标准模型的新物理效应。
2.中微子和暗物质研究：粒子物理标准模型是极其成功的理论，但不够完善。两个重要需要新自由度和相互作用的问题是中微子质量起源和暗物质本质。中微子和暗物质是两个源于上世纪30年代为解释贝塔衰变中“缺失的能量”和星系团中“缺失的质量”而分别被提出的理论假设，至今已接近百年历史。中微子在传播过程中会发生振荡现象证实中微子具有极其微小的质量和混合，其质量起源指向需要超出标准模型的新的自由度或新的相互作用。众多的天文和宇宙学证据强烈地表明宇宙中八成以上的物质是非重子物质，主要由所谓的冷暗物质。虽然暗物质的本质还不明确，但可断定占其主体部分的暗物质并非来自于粒子物理标准模型中。中微子质量和混合起源、暗物质本质及其相关物理属于当前粒子物理最重要的前沿研究领域，作为两个明确超出标准模型的新物理范畴，提供了对探索额外新粒子和新相互作用的重要指南和科学问题。陈绍龙教授团队主要聚焦在这些科学问题上。
3.LHCb实验研究：LHCb 实验是大型强子对撞机上专为重味物理研究而设计建造的实验装置。设计目标是精确测量重味强子（含底夸克或粲夸克的强子）的电荷宇称破坏（CP 破坏）和稀有衰变，严格检验标准模型的理论计算，寻找新物理存在的间接证据。华中师范大学在2013年加入LHCb国际合作组，并在2018年成为了合作组正式成员。目前，LHCb实验方向有5名教师，分别是谢跃红教授、尹航教授、陈凯教授、张冬亮副教授和周晓康副教授。主要开展重味强子的CP破坏和稀有衰变研究，包括Bs介子的时间依赖CP破坏、b→s/d味改变中性流过程、CKM相角g的测量等；同时开展前向快度区域的电弱物理特色研究，包括Z/W玻色子的产生截面、质量、稀有衰变等研究，和弱混合角的测量等。
4.BESIII实验研究：华中师范大学是最早加入BES实验的单位，目前有三位老师参加，分别是刘峰教授，谢跃红教授和周晓康副教授，研究方向主要为粲介子和粲重子的强作用，弱作用，混合和CP破坏等。利用BESIII实验特有的阈值产生的带有量子关联性的粲介子对，精确测量了中性D0介子衰变到Kspp/KsKK的强相位参数。D0衰变到Kspp/KsKK是LHCb实验上测量g相角的”黄金道”, 该强相位参数为精确测量CKM矩阵三角形的g相角提供了重要的实验输入，精确检验CKM矩阵的幺正性是粒子物理的重要研究方向，可以检验标准模型和寻找超出标准模型的新物理。同时，与LHCb实验合作进行g角的联合测量，并参与探索测量g角的新方法，即模型无关不分区的傅里叶方法。预期能在原来传统的办法上进一步提升g角的测量精度。
5.探测器研发：硬件团队由谢跃红教授、陈凯教授、周晓康副教授等组成。华中师范大学粒子组为LHCb实验二期升级需要，参与上游径迹探测器（UP）的制作研发测试工作，着手在华中师范大学搭建相关研究与教学实验室，约90平米，已经完成室内改装。目前已有1套闪烁体宇宙线探测装置和2套硅微带激光探测器教学装置，已培养指导一篇本科论文，承担中学生科技创新后备人才培养计划（即“英才计划”与“楚才计划”）。并计划为研究生和本科生开设相关实验课程。
粒子物理团队将发挥已有研究优势，进一步加强理论与实验的结合，聚焦本研究领域的关键科学问题开展协同研究，均衡发展粒子物理学科，使理论、实验和探测技术研究均达到国内领先水平，并具有重要国际影响力，争创世界一流粒子物理学科。
亮点成果：
1.理论：
2.B介子CP破坏的高精度测量：目前标准模型提供的CP破坏远不足以解释宇宙中的正反物质不对称，在LHCb实验上寻找新的CP破坏的来源具有重要的科学意义。华师团队系统性地研究了底介子多种衰变过程中的CP破坏，包括：在"黄金衰变道"Bs->Jpsi phi中测量Bs介子混合相角phi_s，过去十多年中保持界最精确测量结果；对Bs->phi phi过程的CP破坏参数取得了世界唯一的高精度测量值；同时，首次在B+->Jpsi pi+过程中观察到了直接CP破坏的迹象，这是底强子到粲偶素衰变中存在直接CP破坏的首个证据。
3.双粲重子的发现和性质研究：2017年，LHCb实验上首次发现了双粲重子。我校LHCb实验团队在其中作出重要贡献，并与中国团队共同荣获科学技术部基础研究管理中心颁发的“2017年度中国科学十大进展”。华师团队随后对这个粒子的寿命进行了首次测量，测量结果表明此次发现的双粲重子主要通过弱相互作用进行衰变。在此基础上，华师团队又观测到了双粲重子的新衰变模式Xicc++→Xic+Pi+，独立地验证了之前的双粲重子首次探测和质量测量结果。
4.前向区域的电弱物理特色研究：LHCb探测器具有独特的几何接受度，探测范围和ATLAS与CMS实验互补。同时，LHCb实验所收集的Z玻色子被加速到了前向快读区域，因而对具有较大或者较小x的部分子非常敏感。华师团队基于LHCb二期数据，获得了13TeV下Z玻色子在前冲区域最为精确的产生截面，为质子部分子分布函数的全局拟合提供了重要输入；首次在前冲区域精确测量了Z玻色子的极化参数，有助于精确检验粒子物理标准模型；使用LHCb二期数据，对弱混合角进行了精确测量，获得了前向区域的最精确测量结果。
LHCb部分
欧洲核子研究中心（CERN）坐落在法国和瑞士的边境，是粒子物理实验研究的世界中心。CERN的大型强子对撞机（LHC）是一台双环超导强子加速器，将质子加速到接近光速，然后对撞。它是有史以来人类建造的对撞能量最高的加速器，将为我们研究质量起源、电荷-宇称破坏等提供重要的数据。LHC加速器利用了大型正负电子对撞机（LEP）建设环形隧道，周长为26.7千米。运行期间，质子束流在环形加速器内朝相反方向加速到接近光速，并在对撞点碰撞，随后通过粒子探测器收集相关数据。LHC上面有四个主要的大型探测器，分别为ATLAS，Alice，CMS和LHCb。LHC自开始运行以后，质子束流能量先后为3.5 TeV，4 TeV，6.5 TeV以及6.8 TeV等，对应多个运行周期。未来，束流的能量预计可以到7 TeV，对撞能量将达到设计目标：14 TeV。
LHCb探测器是一个单臂（single-arm）前向探测器，探测范围在前向区域 2.0<
<5.0。当对撞能量较高时，相当大比例的重味强子产生在前向区域，这是LHCb探测器设计为前向探测器的原因。设计之初的目标是用于研究包含底和粲夸克的重味物理，寻找重味介子或者重子衰变过程中的电荷-宇称破坏、寻找稀有衰变等。值得一提的是，由于LHCb探测器具有很好的重建和探测效率，物理研究范围已经不再局限于重味物理，目前已经拓展到了QCD研究，电弱物理等精确测量，取得了大量重要成果。
BES部分
华中师范大学粒子实验组参加北京正负电子对撞机(Beijing Electron Position Collider, BEPCII)上的北京谱仪实验(Beijing Spectrometer, BESIII)。
北京正负电子对撞机
北京正负电子对撞机（BEPC）于1988年10月在中国科学院高能物理所建成。它坐落于北京西郊八宝山东侧，占地50000平方米。下图为BEPC的总体简图。它由注入器（BEL）、输运线、储存环、北京谱仪（BES）和同步辐射装置（BSRF）等几部分组成。注入器是一台200米长的直线加速器，用于为储存环提供能量为1.1~1.55GeV的正负电子束。输运线连接注入器和储存环，将注入器输出的正负电子分别传送到储存环里。储存环是一台周长为240.4米的环型加速器，它将正负电子加速到需要的能量，并加以储存。用于高能物理研究的大型探测器―北京谱仪位于储存环南侧对撞点。同步辐射装置则位于储存环第三和第四区，在这里，负电子经过弯转磁铁和扭摆器时发出的同步辐射光经前端区和光束线引至各个同步辐射实验站。
BEPC的主要科学目标是开展τ轻子与粲物理和同步辐射研究。为此，BEPC有两种运行模式：兼用模式优化于高能物理对撞实验，同时也提供同步辐射光；专用模式专用于同步辐射研究。
BEPC总体简图
在党中央和邓小平同志的亲切关怀下，国家投资的北京正负电子对撞机工程于1988年10月首次实现正负电子对撞。该工程主要包括对撞机（BEPC）、北京谱仪（BES）和同步辐射装置（BSRF）。1991年，国家计委正式批准成立北京正负电子对撞机国家实验室。BEPC自1990年运行以来，取得了一批在国际高能物理界有影响的重要研究成果，如：τ轻子质量的精确测量、20-50亿电子伏特能区正负电子对撞强子反应截面（R值）的精确测量、发现“质子-反质子”质量阈值处新共振态、发现X（1835）新粒子等，引起了国内外高能物理界的广泛关注。
2003年底，国家批准了北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCII）。北京正负电子对撞机重大改造工程（BEPCII）是我国重大科学工程中最具挑战性和创新性的项目之一，工程于2004年初动工，2008年7月完成建设任务，2009年7月通过国家验收。验收意见认为BEPCII工程按指标、按计划、按预算、高质量地完成了各项建设任务，得到了国际高能物理界的高度评价，是我国大科学工程建设的一个成功范例，也是中国高能物理发展的又一个重大的里程碑。
BEPCII是一台粲物理能区国际领先的对撞机和高性能的兼用同步辐射装置，主要开展粲物理研究，预期在多夸克态、胶球、混杂态的寻找和特性研究上有所突破，使我国在国际高能物理领域占据一席之地，保持在粲物理实验研究的国际领先地位。同时又可作为同步辐射光源提供真空紫外至硬X光，开展凝聚态物理、材料科学、生物和医学、环境科学、地矿资源、以及微细加工技术方面等交叉学科领域的应用研究，达到“一机两用”。
北京谱仪
北京谱仪是北京正负电子对撞机重大改造工程的重要组成部分，它作为北京正负电子对撞机的“眼睛”，通过测量正负电子对撞产生的次级粒子，研究物质的基本组成及其性质。
北京谱仪III总投资2.4亿元人民币升级，由以下子探测器构成：
BSIII总体简图
BESIII探测器的圆柱形核心包括氦基多层漂移室（MDC）、塑料闪烁体飞行时间系统（TOF）和CsI(Tl)电磁量能器（EMC），它们都被包裹在一个提供1.0T（2012年为0.9 T）磁场的超导螺线管磁铁中。
该探测器对带电粒子和光子的接收度为93%，覆盖4π立体角。带电粒子动量分辨率在1GeV/c时为0.5%，Bhabha散射电子的dE/dx分辨率为6%。EMC在桶部（端盖）区域测量1GeV光子能量的分辨率为2.5%（5%）。
TOF桶部的时间分辨率为68 ps，端盖部分为110 ps。2015年，端盖TOF系统升级为多间隙阻性板室技术，时间分辨率为60 ps。
BESIII合作组目前由来自17个国家的85个机构，约有600名成员组成。
闪烁体探测宇宙线实验图
