对粒子物理学标准模型的重新认识

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1、对粒子物理学标准模型的重新认识　　摘要：目前人类已知自然界物体间有四种基本力的相互作用，即引力作用、电磁力相互作用、强相互作用、弱相互作用。除了引力之外，人们用一个理论模型对其他三种相互作用力进行描述，这就是粒子物理学的标准模型理论（StandardModel），简称SM理论。本文试图以简介的形式对这一理论进行概述，使非物理专业的读者也能对这些伟大的成就有所了解。　　关键词：基本粒子；标准模型；认识　　一、基本粒子　　首先我们介绍一下这一理论的基本“砖块”，即我们所在的世界的基本构成元素：基本粒子。在标准模型中，共有61种基本粒子，实验上已经证实存在的有60种。根据粒子的自

2、旋――5一种内禀的角动量，可以分为费米子和玻色子两类。费米子（fermion）是自旋为1/2的奇数倍的粒子的统称，包括以下两类：夸克和轻子。玻色子（boson）是自旋为1/2的偶数倍的粒子的统称，分为规范玻色子和Higgs玻色子两种。在SM中，夸克被视为强子的组成成分。强子是所有的受到强相互作用影响的亚原子粒子，包括重子和介子两类。为解释上世纪40年代以来发现的数百种强子的性质规律，物理学家默里?盖尔曼和乔治?茨威格于1964年各自独立提出了夸克模型，认为重子由三个夸克或三个反夸克组成，自旋总是1/2的奇数倍，即它们是费米子。它们包括人们比较熟悉的组成原子核的质子和中子以及

3、一般鲜为人知的超子（比如Δ、Λ、Σ、Ξ和Ω），这些超子一般比核子重，而且寿命非常短。而介子由一对正反夸克组成，这一对夸克可以不同味，其自旋总是1/2的偶数倍。1934年，日本物理学家汤川秀树预测了介子的存在，用来作为核力的载体，还给出了这个介子的质量范围。1947年，英国的物理学家鲍威尔在宇宙射线中发现了一种粒子，带单位正电荷或负电荷，质量是电子的273倍，与核子有很强的相互作用，平均寿命2.60310×10-8秒，正是汤川秀树所预测的介子，叫做π介子。后来发现共有三种，分别带一个正负电荷和零电荷。　　SM认为，电磁相互作用和弱相互作用来源于宇宙早期能量极高时的同一种相互作

4、用，称为“电弱相互作用”。当宇宙能量降低到一定程度时，电弱相互作用的对称性出现自发破缺，传播电弱相互作用的媒介粒子一部分获得质量，力程变短，耦合常数变小，分化出弱相互作用；另一部分媒介粒子即光子，成为电磁相互作用媒介粒子，分化出电磁相互作用。按照这一思路，人们可以期望在更远的宇宙早期，宇宙能量更高时候，电弱相互作用与万有引力相互作用也是同一种相互作用，随着能量降低而出现了对称性的自发破缺从而分化出不同的相互作用。这一方面的工作当下还在进行中，并已经取得了一定的成果，人们对宇宙已经有了更新的认识。　　二、理论工具　　下面来简单介绍一下描述SM所用的数学理论工具。5　　SM中，

5、由于涉及到高能物理过程，比如粒子对撞过程，会有粒子产生湮灭现象。处理这样的过程，描述微观粒子运动规律的量子力学理论就不能适用了。而且高能对撞的粒子对撞速度往往接近光速，所以理论工具必须具有相对论的性质。这些特点最终导致了量子场论进而规范场论的诞生。下面简单回顾一下理论的历史进展过程。　　1925年，马克思?玻恩和帕斯卡?约当考虑量子跃迁所发出的光谱强度的计算问题，成为量子场论的发端。第二年，马克思?玻恩、沃纳?海森堡和帕斯卡?约当运用正则量子化的方法，获得了忽略极化和源项的自由电磁场的量子理论。1927年，保罗?狄拉克给出了这个问题的第一个自洽的解决方案，对当时人们唯一知道

6、的经典场“电磁场”进行了量子化，物质的质量仅被视为场的平方项之系数，并不具备实质物理意义。同一年，约当将对场的正则量子化方法推广到量子力学中的波函数，并称之为二次量子化。1928年，约当和EugeneWigner发现泡利不相容原理要求对电子场的量子化需要采用满足一定关系（反对易关系）的产生和湮灭算符。产生湮灭算符可以用来描述粒子的产生和湮灭过程。1954年，杨振宁和米尔斯提出杨-米尔斯理论（又称规范场理论），在应用于弱相互作用以及强相互作用研究时遇到困难：由于规范理论的规范对称性要求规范玻色子不能带有任何质量，这与实验中的观测结果并不符合。1961年，格拉肖提出弱电统一模型

7、，但没有解决零质量规范粒子的困难。1964年，英国的科学家希格斯提出一种克服规范场粒子零静止质量困难的方法。他引入了一种标量粒子（后来被称为Higgs粒子），这种粒子的引入，使方程出现对称性的真空自发破缺，可以使与被破缺的规范对称性相对应的规范场获得静止质量。1967年，温伯格和萨拉姆在格拉肖弱电统一原始模型的基础上，发展和完备了弱电统一规范理论，在实验与理论的互进上取得丰硕成果，SM趋于成熟完备，“StandardModel”5一词即是由温伯格首次提出使用。该理论以夸克模型为结构载体，在弱电统一理论以及量子色动力