第一部分 标准模型简介.docx

第一部分 标准模型简介粒子物理有两个很成功的理论。其一是统一描写弱电相互作用的温伯格-萨拉姆模型。它是定域规范群为SU(2)LU(1)Y 的理论。其二是描写强作用的量子色动力学（QCD）。它是定域规范群为SU(3)C 规范理论，通常人们把这两个理论组成SU(3)CSU(2)LU(1)Y 规范理论，统一描写强、弱、电三种相互作用，称为基本粒子的标准模型。在粒子物理学里，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。它隶属量子理论的范畴，并与量子力学及狭义相对论相容。到目前为止，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引力，主要是因为它并没有描述到引力。标准模型常被人缩写作“SM”。标准模型的内容标准模型包含费米子及玻色子，其中费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不相容原理（这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态）的粒子；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不相容原理。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波色子。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 光子-电磁相互作用的媒介粒子，自旋为1，只有1种 W及Z波色子-相互作用的媒介粒子，自旋为1，有3种 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。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”的酋群去描述。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)。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。标准模型包含了十二种“味道”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。以下的标准模型的基本费米子：费米子符号电磁荷弱荷*弱同自旋 (Weak isospin)超荷强荷（色荷)*质量*第一代左旋电子e-12-1/2-1/210.511 MeV左旋电子中微子e02+1/2-1/21 50 eV左旋正电子ec110110.511 MeV左旋电子反中微子01001 50 eV左旋上夸克u+2/32+1/2+1/635 MeV *左旋下夸克d-1/32-1/2+1/6310 MeV *左旋反上夸克uc-2/310-2/35 MeV *左旋反下夸克dc+1/310+1/310 MeV *第二代左旋子-12-1/2-1/21105.6 MeV左旋子中微子02+1/2-1/21 0.5 MeV左旋反子c11011105.6 MeV左旋反子中微子01001 0.5 MeV左旋粲夸克c+2/32+1/2+1/631.5 GeV左旋奇夸克s-1/32-1/2+1/63100 MeV左旋反粲夸克cc-2/310-2/31.5 GeV左旋反奇夸克sc+1/310+1/3100 MeV第三代左旋子-12-1/2-1/211.784 GeV左旋子中微子02+1/2-1/21 70 MeV左旋反子c110111.784 GeV左旋子反中微子01001 70 MeV左旋顶夸克t+2/32+1/2+1/63178 GeV左旋底夸克b-1/32-1/2+1/634.7 GeV左旋反顶夸克tc-2/310-2/3178 GeV左旋反底夸克bc+1/310+1/34.7 GeV* - 这些不是一般的阿贝尔电荷(Abelian charges)，而是李群的表示之标签。它们不能相加。* - 质量实为左旋及右旋费米子的耦合 (Coupling)。例如电子之质量实为一左旋电子及一右旋电子（左旋正电子之反粒子）之耦合。另外，中微子在它们的质量耦合中因有大量混合，故不能准确以味荷或左右旋中微子质量等同来得出中微子之质量。* - 这里所列出的重子(Baryon)、强子(Hadron)质量及其生成截面（cross-section 即生成率）为实验测量所得。因量子色动力学之色禁闭(QCD Confinement) 使得拥有单一“色”的夸克不能独立存在，这里显示的数值为夸克于量子色动力学相变化经重整化 (QCD Phase Transition Renormalization) 后的值。物理学家尝试由格点模式(Lattice model) 计算不同夸克的质量值，但所得出的第一代夸克质量仍远低于量子色动力学所需的大小，故其不准确性仍然是很大的。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宇宙射线或是高能实验中制造出来，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，电子跟子的自旋皆为半整数而电荷同样是-1，但子的质量大约是电子的二百倍。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。夸克拥有一种叫“色”的量子性质，并且与强作用力耦合。强作用力不同于其他的作用力（弱力、电磁力、重力），会随距离增加变得越来越强。由于强作用力的色禁闭特性，夸克永远只会在色荷为零的组合中出现（如介子、重子），这些不同的组合被统称为“强子”。目前实验中确认的强子有两种：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（如介子）。而由五个夸克所组成的五夸克粒子，目前实验上的结果仍有争议。标准模型的扩展虽然标准模型对实验结果的解释很成功，但它也有很大的缺陷。首先，模型中包含了许多参数，如各粒子的质量和各相互作用强度。这些数字不能只从计算中得出，而必须由实验决定。其次，理论所预测的希格斯波色子到现时为止仍未被发现。弱电对称破缺还没有满意的解释。再次，理论中存在所谓的自然性问题。最后，这理论未能描述引力。首个与标准模型不相符的实验结果在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，显示中微子拥有非零质量。标准模型的简单修正（引入非零质量的中微子）可以解释这个实验结果。这个新的模型仍叫做标准模型。大统一理论是标准模型的一个扩展。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。只有在高能状态（比现时实验能达到的能量还要高）这个对称性才能保存；在低能状态，它自发破缺到SU(3)SU(2)U(1)。第一个大统一理论（SU(5)大统一）是由Georgi及Glashow于1