Research Interests

My research interests:

My current research interests focus on the effective field theories framework and application at the particle, hadronic, and nuclear levels, to answer questions of the Higgs and neutrino masses and potential, the matter-antimatter asymmetry, and dark matter nature.

1. The energy frontier: Higgs Boson to explain origin of mass and matter

2. The intensity frontier: neutrino to explain origin of mass and matter

3. The cosmic frontier: dark matter to explain the early universe

4. Effective Field Theories: interplay among particle, hadronic and nuclear physics

to answer the following important questions:

1. Origin of masses: why the Higgs boson mass is stabilized at the electroweak scale, and why the neutrino masses are so tiny? The Higgs self-interaction coupling (the last-missed parameter), is still not determined yet.

2. Origin of matter: the standard model cannot explain the observed 5% ordinary matter (the matter antimatter asymmetry). It also fails to explain the dark matter and dark energy, around 95% of the matter density in the standard model of cosmology.

3. Scale of new physics: although many null experimental results, we are always curious to know the scale of new physics. Effective field theory provides a framework to study new physics without new particles even new physics scale is unknown.

我的主要研究兴趣如下:

目前已知的物质世界的基础是粒子物理的“标准模型”，包括17种基本粒子，描述自然界中存在的强、弱和电磁相互作用。尽管粒子物理标准模型已经取得了辉煌成功，标准模型仍然存在理论和实验观测上的挑战:

1. 质量起源问题：标准模型还存在最后一个未测量的参数，就是希格斯自相互作用；希格斯粒子和中微子的质量起源仍然存在疑难；

2. 物质起源问题：粒子物理标准模型不能解释物质反物质不对称性，也不能解释暗物质的来源。

为了研究这些问题，需要理论的描述，理论基础是量子场论和群论。同时物理是一门实验的科学，优美的理论需要实验的支持，理论的实验验证十分关键。我的研究兴趣如下：

1. 希格斯和中微子的质量起源：希格斯本质和势能，电弱相变和引力波，超对称/复合/额外维

大型强子对撞机上希格斯粒子的发现是粒子物理的一个里程碑式的进展，但是仍然面临如下疑难：为什么势能最小值稳定在电弱能标? 希格斯的势能形式是否可以和标准模型预言的形状不同? 希格斯势能是否存在类似于超导理论的微观机制? 早期宇宙中的电弱破缺引起的电弱相变是一阶还是二阶相变？

与此同时，近些年来中微子的实验进展十分迅速，中微子振荡的发现确定了中微子的非零质量。这一进展加深了理论上的疑难，为什么中微子的质量远远小于标准模型的强和电弱能标？中微子是狄拉克或马约拉纳型费米子？是否存在较大的CP和轻子数破坏等？

2. 有效场论理论框架：标准模型有效场论，手征有效场论，非平衡量子场论及宇宙学应用

我们对物质世界的认识本质上是不断对不同能标的有效场论的理解，我们也许永远无法达到一个终极理论。不同能标之间相互退耦合，例如研究宏观力学并不需要量子力学的知识，原子分子并不需要核物理。目前的高能物理实验已经推进到TeV能标，但是并没有观测到新物理的迹象。标准模型有效场论以洛伦兹对称性和规范对称性为基础，系统地参数化了高能标新物理的贡献。在目前无新物理信号的时期，这会是未来高能物理的重要研究方向。

对称性虽然在高能新物理中起主导作用，可是现实世界是不断发生对称性破缺的结果，任何对称性破缺的理论都可以用手征有效场论来描述，例如复合希格斯、电弱手征理论、QCD低能手征微扰论，这些描述加深我们对希格斯粒子的本质、低能介子核子动力学等的理解。同样地，在早期宇宙，各种不同的粒子不断从热平衡中脱离出来，因此非平衡态场论描述和闭时路径积分形式，在早期宇宙演化过程中十分重要。

3. 宇宙正物质和暗物质的起源：重子轻子生成，非热暗物质/惰性中微子/轴子，及其宇宙学

通过对星系旋转曲线、子弹星系团、大尺度结构、以及宇宙微波背景辐射的研究，人们已经确证了暗物质的存在（占宇宙能量密度的25%），但是也基本确定粒子物理标准模型并不能解释暗物质。我们并不清楚，暗物质是否是基本粒子？暗物质是否和标准模型热浴有过热平衡？暗物质怎样影响宇宙微扰的增长和大尺度结构的形成？

另一方面，我们的可观测宇宙是正物质主导的，那么反物质到哪里去了? 萨克哈罗夫提出了重子生成机制，为了实现正反物质不对称性需要三个条件：重子数破坏，C和CP破缺，和偏离热平衡。粒子物理标准模型无法提供较大的CP破缺强度，且并不存在明显的偏离热平衡过程，因此为了解释正反物质不对称性，需要对标准模型进行扩展。

4. 能量和亮度前沿：对撞机信号，暗物质直接探测/中微子相干散射，无中微子双贝塔衰变

物理学本质上是一门的实验科学，理论物理脱离实验会变成无水之源，因此理论的实验检验至关重要。希格斯的本质和势能形状需要未来对撞机实验的直接验证，电弱相变可以由希格斯工厂的实验结果给出佐证，实验的不同信号可以用来区分不同的新物理模型。这些都是能量前沿实验关心的重点。

在高能对撞机进展平缓的同时，低能高亮度实验由于其低成本开始显现出其探测新物理的优势来。例如，新一轮吨级无中微子双贝塔衰变正在开展，这会直接验证中微子的马约拉纳本质以及轻子生成机制，电偶极矩实验可以观测电弱重子生成相关的CP破缺效应，各种暗物质直接探测试验不断刷新其探测截面的下限。