ZT: 粒子物理学的标准模型

夏凉

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# [% V% m* B! U: E$ h概念
5 \+ O. {, f$ @8 o4 |9 Y1 u　　粒子物理学的标准模型是一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。它隶属量子场论的范畴，并与量子力学及狭义相对论兼容。到现时为止，几乎所有对以上三种力的实验的结果都合乎这套理论的预测。但是标准模型还不是一套万有理论，主要是因为它并没有描述到重力。
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标准模型的内容
　　标准模型包含费米子及玻色子——费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不兼容原理（这原理指出没有相同的费米子能占有样的量子态）的粒子；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不兼容原理。简单来说，费米子就是组成物质的粒子而玻色子则负责传递各种作用力。
　　电弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合并为一。这些理论都是规范场论，即它们把费米子跟玻色子（即力的中介者）配对起来，以描述费米子之间的力。由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变，所以这些中介玻色子就被称为规范玻色子。标准模型所包含的玻色子有：
　　胶子 - 强相互作用的媒介粒子，自旋为1，有8种
( x4 ?/ z9 i8 a. {$ B, }3 \　　光子 - 电磁相互作用的媒介粒子，自旋为1，只有1种
  W' _8 N& R/ ^! l7 ~　　W 及 Z 玻色子 - 弱相互作用的媒介粒子，自旋为1，有3种
9 S% [; T& S, G3 e  R- l9 Q9 K% a0 l' Y　　希格斯粒子 - 引导规范组的自发对称性破缺，亦是惯性质量的源头。
8 L9 J2 j7 b; x　　实际上规范玻色子的规范变换是可以准确地利用一个称为“规范群”的酉群去描述。强相互作用的规范群是SU(3)，而电弱作用的规范群是SU(2)×U(1)。所以标准模型亦被称为SU(3)×SU(2)×U(1)。
7 e! N7 U; w* A7 g+ a. ~$ A# }+ ~　　在众玻色子中，只有希格斯玻色子不是规范玻色子。而负责传递引力相互作用的玻色子——引力子则未能被包括入标准模型之中。
/ x5 V' K1 V4 I  F8 d　　标准模型包含了十二种“味道”(Flavor) 的费米子。组成大部份物质三种粒子：质子、中子及电子，当中只有电子是这套理论的基本粒子。质子和中子只是由更基本的夸克，受强作用力吸引而组成。
　　费米子可以分为三个“世代”。第一代包括电子、上及下夸克及电子中微子。所有普通物质都是由这一代的粒子所组成；第二及第三代粒子只能在高能量实验中制造出来，而且会在短时间内衰变成第一代粒子。把这些粒子排列成三代是因为每一代的四种粒子与另一代相对应的四种粒子的性质几乎一样，唯一的分别就是它们的质量。例如，电子跟μ子的自旋皆为半整数而电荷同样是-1，但μ子的质量大约是电子的二百倍。
　　τ电子与电子中微子，以及在第二、三代中相对应的粒子，被统称为轻子。它们与其他费米子不同处在于它们没有一种叫“色”的性质，所以它们的作用力（弱力、电磁力）会随距离增加变得越来越弱。相反，夸克间的强力会随距离增加而增强，所以夸克永远只会在色荷为零的组合中出现，这些不同的组合被统称为“强子”。
　　强子有两种：由三颗夸克组成的费米子，即重子（如质子及中子）；以及由夸克－反夸克对所组成的玻色子，即介子（如π介子）。
　　标准模型中62种基本粒子：
　　规范粒子13种：传递强相互作用的媒介——胶子8种
/ O4 f+ y3 M! w2 t　　传递弱相互作用的媒介——中间玻色子W+W-Z0
　　传递电磁作用的媒介——光子
　　为了实现电弱相互作用在低于250Gev的能量范围内分解为电磁相互作用和弱相互作用的特殊粒子——希格斯粒子。
! d) B( l3 Y9 u　　夸克36：
& i( ^! |7 P- A% C0 k# x　　六味：上夸克，下夸克；粲夸克，奇异夸克；底夸克，顶夸克
6 d$ o7 E" f; x　　三色：红 绿 蓝
　　夸克有六味，每味三色，再加上各自对应的反粒子，总共36种不同状态的夸克。
　　轻子12：电子e μ子 τ子 以及各自的中微子共六种
: e& o; D7 B. r　　它们的反粒子六种

2 D  S, g, f; x, U测试及预测
　　在W玻色子、Z玻色子、胶子、顶夸克及魅夸克未被发现前，标准模型已经预测到它们的存在，而且对它们性质的估计非常精确。
+ z$ j* q' Q' [/ T　　CERN的大型电子－正子对撞机测试并确定标准模型有关Z玻色子衰变的预测。
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对标准模型的质疑
5 p/ I  O* a% r' P　　虽然标准模型对实验结果的解释很成功，它从未被接受为基础物理的完全理论。这是因为它有两个很重要的缺陷：
- o3 w" |9 A5 r& w! L7 s+ F* U　　模型中包含了十九个参数，如各粒子的质量，而这些数字并不能只从计算中得出而必须由实验决定。
: q% W$ k* k$ E2 L; o4 t9 L　　这理论未能描述引力。
' C( A. A& i& d1 M$ Q1 X　　大一统理论试图解决第一个缺陷。它假设SU(3)、SU(2)及U(1)群其实是一个更大的对称群的成员。在高能状态（比现时实验能达到的能量还要高），这一个群的对称性才能保存；在低能状态，它经过一个称为自发失称的过程而变成SU(3)×SU(2)×U(1)。第一个大一统理论由Georgi及Glashow于1974年提出，他们用SU(5)作为那个统一群。大一统理论与标准模型不同，它预测质子衰变的存在。但是在1999年，超级神冈的实验并未能深测到质子衰变，并确定质子半衰期的下限为6.7&times 1032年。一些其他实验都否定了不少大一统理论（包括SU(5)）。
  [* n6 u( X6 \2 y5 v/ b4 F　　同时，若从宇宙论的角度出发，标准模型亦被视为不完全。在这理论中，物质和反物质是对称的。但是宇宙中的物质比起反物质多出很多。还有，由于对重力的匆略，标准模型并未能为宇宙开始时的宇宙膨胀找出一个机制。
& Z  }2 W1 M; d　　理论所预测的希格斯玻色子到现时（2004年）为止仍未被发现。
　　首个与标准模型不相乎的实验结果在1998年出现：日本超级神冈中微子探测器发表有关中微子振荡的结果。结果显示中微子拥有非零质量，因为零质量粒子以光速行进而不会感受到时间的推移。
: t$ J# F( z5 X% a　　但是标准模型并不容纳非零质量的中微子，因为它假设了宇宙中只有左旋中微子（即相对于运动轴，其自旋方向为逆时针）。如果中微子质量非零，它们的行进速度必会小于光速。正因如此，理论上我们就可以超越一颗中微子，以致我们可以选择一个令这颗中微子运动方向颠倒而自旋不变的参考系，导致它变为右旋。
, m- M  `" B4 H# t9 n/ U　　物理学家为此修定标准模型，加入更多的自由参数以准许中微子带质量。这个新的模型仍叫做标准模型。
, m  O0 x# j$ \8 A　　超对称理论是标准模型的一个延伸，它提出传统模型中的每一种基本粒子都有一个大质量、超对称的伙伴。超对称粒子被视为对暗物质的其中一个解释。

Po

夸克有六味三色。不知道这六味跟我们说的“味”有什么异同。三色，不知道为什么是红绿蓝而不是红黄蓝。