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李重生
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李重生
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简介:


李重生,男,生于重庆市,籍贯湖北荆门,北京大学物理学院二级教授,理论物理专业博士生导师。曾任北京大学物理学院学位委员会委员、中国高能物理学会理事、常务理事、周培源基金会理事

教学:本科课程-量子力学,研究生课程-量子规范场论。

研究方向:标准模型精确检验和新物理探索,量子色动力学和对撞机物理,顶夸克物理和希格斯物理,味物理和CP破坏,粒子宇宙学。

承担的科研项目:曾先后参加国家科委的理论物理攀登计划项目“九十年代理论物理学重大前沿课题”及“面向21世纪理论物理学重大前沿课题” 的研究,主持或作为主要成员参加多项国家自然科学基金委员会面上项目、重点项目的有关课题研究,并连续三次作为国家自然科学基金委员会“量子色动力学和强子物理”创新团队成员(2005-2013)承担研究任务。




李重生教学和学术研究主要成绩


长期从事粒子物理理论和量子场论的研究,迄今发表SCI论文156篇,其中美国《物理评论快报》(Phys.Rev.Lett.) 8篇,其它国际重要学术刊物130余篇,被他引3500余次。曾获1991年国务院政府特殊津贴奖励、1991年国家教委优秀年轻教师基金、1992年国家教委科技进步一等奖(自然科学)、1993年国家自然科学三等奖、1997年首届周培源物理奖、2006年北京大学钟盛标科研奖、2009年宝钢教育基金会优秀教师奖、2010年教育部自然科学一等奖,多次获北京大学优秀博士论文指导教师奖。

   李重生共培养研究生32人,其中博士研究生23人,硕士研究生9人。其中多数学生毕业后均前往国外著名高校或研究机构做博士后,这些学生绝大多数已回国并已成为中国高能物理界的年轻学术骨干。迄今,李重生有十多名已毕业的博士研究生在北大、浙大、上海交大、复旦大学、山东大学、中山大学等高校以及中国科学院高能物理所、中国科学院理论物理所等研究机构任职。


      李重生代表性科研工作简介



一. 发展量子色动力力学高阶计算方法

 

量子色动力学(QCD)是描述自然界中四种基本相互作用之一的强相互作用的理论,它解释了夸克和胶子之间的相互作用,以及它们如何构成强子。自上世纪70年代建立以来QCD成功地经受了大量实验的检验。随着实验精度的提高,对量子色动力学的高精度预言提出了更加严峻的挑战。这就要求人们对量子色动力学的高阶效应做更加精确的计算。李重生在发展量子色动力学的高阶效应的计算中进行了深入系统的研究,做出了一系列在国际上有重要影响的研究工作。其中代表性成果如下:

1. 首次提出在软-共线有效理论(SCET)中计算末态不带色过程的横向动量分布重求和方法,同时阐明与传统CSS框架下横向动量重求和方法之间的关系,并结合重夸克有效理论,首次将SCET方法应用于末态带色有质量粒子高能散射过程的软胶子效应重求和;首次给出了LHC上顶夸克对产生的横动量重求和的精确预言,该工作很快被《亚太地区物理通讯》列为“研究亮点”加以报道。上述工作均得到了国际同行的广泛认可和重点引用。

2. 首次提出一种消除红外发散的相空间切片法,并结合软共线有效理论,在国际上首次给出顶夸克衰变宽度及微分衰变宽度的QCD次次领头阶(NNLO)精确预言,这个工作发表后即得到了国际同行的大量引用,迄今已被引用167次(引文数来自美国SLAC-SPIRES数据库和SCI检索结果,下同),已成为相关研究的标准引用文献;首次给出了深度非弹中带质量的粲夸克产生有关重要观测量的QCD次次领头阶(NNLO)精确预言,该工作的结果提升了深度非弹实验中抽取的奇异夸克分布函数,从而缓解了与从LHC有关实验所得到的相应结果之间的尖锐矛盾。这个工作很快就被美国专门研究分布函数的CTEQ合作组重点引用。

 

二. 发展用顶夸克观测量探索偏离标准模型相互作用的系统方法

 

自美国费米实验室Tevatron于1995年首次发现顶夸克以来,已积累大量实验数据,而欧洲的大型强子对撞机(LHC)更是顶夸克“工厂”,每年产生巨量的顶夸克事例。由于顶夸克是实验已发现的最重粒子,对偏离标准模型的相互作用最敏感,故其观测量的精确理论预言对实验进一步检验标准模型和发现是否存在偏离标准模型预言的相互作用,特别是不依赖于具体模型的反常耦合具有特殊意义。实验和理论界一般认为,顶夸克是已知粒子中发现反常耦合的最好“探针”。李重生90年代初以来一直从事相关研究,主要成果为:

1. 首次给出强子对撞机通过味改变中性流的单顶夸克产生截面在QCD次领头阶(NLO)水平的理论预言,以及包括了所有阶QCD软胶子效应的理论预言;此外还首次在QCD NLO水平上给出了顶夸克通过味改变中性流的衰变宽度及分支比以及它们和QCD反常耦合系数的依赖关系。上述工作构成了从单顶夸克产生到衰变的观测量来系统确定顶夸克反常耦合的理论预言,它们对Tevatron和LHC的相关实验有指导作用。Tevatron D0实验组在2007年发表的实验结果论文中采用了上述结果。特别是,Tevatron CDF实验组应用李重生等人的结果得到了顶夸克QCD反常耦合的最新实验上限以及对应的衰变分支比上限,并在正式发表论文中向李重生致谢:

"The authors express their gratitude to Chong Sheng Li of Peking University for very useful communication and for providing a new calculation of FCNC top-quark branching ratios in a very timely fashion."

2. 给出了顶夸克标准模型主要衰变道NLO QCD修正的完整解析结果, 该文是国际上最早的相关论文之一。该结果使顶夸克寿命比领头阶估计增大约10%,这对实验的精确测量具有重要意义;此外,如国际同行的引文指出,结果提升了右手流的反常耦合,使之达到LHC可探测的水平。该文迄今已被他引126次,包括由国际几十位粒子物理学家组成的“Particle Data Group”编写的《粒子物理评论》引用。

3. 系统研究顶夸克产生和(稀有)衰变过程中的超对称(SUSY)量子效应。包括首次计算顶夸克标准模型和非标准模型的主要衰变道纯(genuine)SUSY量子效应。代表性工作有:首次研究顶夸克通过SUSY圈图所诱导的最重要的稀有衰变过程,该文受到国际同行关注,迄今已被他引161次;在后续研究中采用质量本征态严格方法,发现该分支比可进一步放大到LHC可发现水平。还包括首次研究Tevatron和LHC上顶夸克产生截面的纯(genuine)SUSY量子效应。这些工作发展和推动了通过顶夸克的观测量来发现SUSY的研究。上述工作被国际同行广泛引用至今,并在一些实验和理论家的各种大型联合综述中被多次重点引用。


三. 探索夸克内部结构的能量尺度

 

自上世纪六十年代夸克模型建立后,理论粒子物理学家们就开始探索各种可能的复合夸克结构模型。由于复合夸克的能标很高,以当时的实验水平很难被探测。随着欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)运行,人们看到了进一步探求夸克内部结构的希望。给出了任何可能的复合夸克模型所诱导的LHC上的双喷注产生过程的精确理论预言,并详细讨论了如何结合LHC的实验结果给出对应的复合标度或者严格的实验下限。这一结果对于实验家在LHC上寻找夸克的复合结构很有帮助,进而增进人们对深层次物质结构的认识。上述工作一发表便立即引起LHC和美国Tevatron的实验家们关注, 有关的几个实验组(D0,LHCb和CMS)均来信索要了有关数值程序。CMS实验组在发表的论文中已重点引用了的结果,从而给出夸克下一层次结构的能量尺度严格下限。CMS 实验组为此在论文中专门向李重生等人致谢:

“We would like to thank J. Gao, C.-S. Li, J. Wang, C.-P. Yuan, and H.-X. Zhu for useful discussions and for providing the program to calculate the contact interaction predictions with NLO QCD corrections.”

 

四. 精确理论预言τ轻子半强衰变

 

τ 轻子半强衰变分支比是检验标准模型最重要精确观测量之一,可用于精确测量QCD耦合常数,CKM矩阵元等,一直为实验和理论家重点关注。李重生和美国合作者首次给出τ轻子半强衰变分支比的电弱辐射修正的完整解析结果,该文验证了前人给出的精确到对数项的结果,还给出了其余常数项的贡献,并阐明非微扰QCD效应可被压低到1%以内。目前实验对 τ 轻子的半强衰变分支比测量的相对精度已高达0.097% 。该工作 被 ALEPH, Belle、BABAR, CLEO, OPAL、L3 等众多国际著名实验组和同行持续引用至今,迄今已被他引210余次。2008年 Belle 实验组应用包括该工作在内的精确理论预言,发现电弱辐射修正是末态同位旋破坏的主要起源。

 

五. 首次发现低能胶子相互作用对中子电偶极矩贡献的正确规律

 

诺贝尔奖获得者、世界著名物理学家温伯格教授及合作者于1989年的系列工作发现,三胶子场强构成的CP破坏算符(温伯格算符)可产生对中子电偶极矩(NEDM)的贡献,且QCD演化效应大大提高了这种贡献。温伯格结合NEDM的实验上限值对粒子物理模型的CP破坏起源定出了很强约束条件, 使得对标准模型的扩展受到苛刻限制,否则将通过温伯格算符给出过大NEDM值而被实验排除掉。该发现被认为是检验粒子物理模型的一个重要依据,引起国际高能物理界高度关注。李重生与美国合作者对此做了深入研究,通过彼此独立的计算,最后得到一致结果,发现QCD演化效应并非增强而是减弱了对NEDM的贡献若干量级,使得温伯格算符给出的NEDM值比原来认为的小了若干量级,从而放宽了对CP破坏起源的限制,使许多标准模型的扩展模型仍然得以生存,如超对称模型、左-右对称的模型、两个希格斯二重态模型等等。该发现立即在国际高能物理界产生了强烈反响,温伯格教授在加州大学-圣塔芭芭拉分校(UCSB)理论物理研究所召开的学术会议上公开肯定了李重生等人结论的正确性,并在随后发表的论文中加以重点引用。在《25届国际高能物理大会》(ICHEP 1990)大会上,欧洲核子研究中心理论部的国际著名理论物理学家Harry N.Nelson在大会报告中也作了重点引用,同时,国际上许多研究组的同行也分别通过独立的计算证实了这一结论,在2000年出版的温伯格教授的《量子场论》专著中也专门引用了该工作。李重生等人的这个工作已成为在标准模型之外的框架下讨论CP破坏的标准文献,被持续引用至今。现在,曾一度被认为已排除掉的,如超对称等模型已成为LHC 的重要实验目标及粒子宇宙学解释暗物质和正、反物质不对称性的模型之一。但是通过温伯格算符不能产生大于NEDM的实验上限值,仍然是对任何CP破坏模型的严格限制,故李重生等人的有关结论在确定三胶子场强构成的CP破坏算符的QCD演化时仍将被长期采用。美国《科学家》杂志曾将该文评为“Hot Paper”(The Scientist 1991,5(8):15)。在李重生及合作者的随后论文中还证明了从温伯格算符所抽取的自旋矩阵满足Lorentz群生成元代数关系,从而揭示了温伯格算符的物理意义,即它是胶子场强的色-电偶极矩。该工作迄今被他引151次。

 

     

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教师英文名称:Chong Sheng Li

      

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