粒子物理标准模型

引言自古以来，寻找宇宙的终极规律一直是人们的梦想。近代科学发现，宏观尺度上的宇宙和微观尺度上的基本粒子存在某些紧密地联系。因此，微观尺度上粒子的基本模型也就成为了解释宇宙奥秘的钥匙。什么是标准模型自然界有四种基本作用力，万有引力，电磁力，弱作用力跟强作用力。电磁力跟弱作用力已经被统一成为电弱理论。标准模型便是在次原子尺度下希望统合电弱作用力跟强作用力的理论。什么是标准模型原子原子核中子夸克近几十年来，通过基本粒子物理学家不断的努力，人造加速器的发展，以及借着外层空间高能的宇宙射线，建立了一套学说，以解释宇宙中最基本的组成份子以及其间的交互作用力，这就是所谓的标准模型(StandardModel)。我们已知的基本粒子可以分为两个家族—夸克(Quarks)和轻子(Leptons)，这两个家族各有六个成员，构成三个世代。第一世代的粒子质量最轻，而第三世代的粒子最重。此外还有四种媒介交互作用的媒介子(Mediator)，用来传递粒子之间的交互作用力。现存的物质，主要是由第一世代的基本粒子所组成，而第二第三世代的粒子大多已经衰变成为第一代的基本粒子。什么是标准模型什么是夸克20世纪60年代，美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克(quark)组成的。它们具有分数电荷，是电子电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。夸克的由来“夸克”一词是由默里·盖尔曼改编自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根彻夜祭》(Finnegan‘sWake)中的诗句。最初解释强相互作用粒子的理论需要三种夸克，叫做夸克的三种味，它们分别是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇异夸克(strange,s)。1974年发现了J/ψ粒子，要求引入第四种夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c)。1977年发现了Υ粒子，要求引入第五种夸克底夸克(bottom,b)。1994年发现第六种夸克顶夸克(top,t)，人们相信这是最后一种夸克。发现夸克１９６４年，美国物理学家盖尔曼和茨威格各自独立地提出了三夸克模型，认为重子和介子都是由夸克组成的。１９６９年，美国斯坦福直线加速器中心验证了夸克的存在，并在普通物质或宇宙线中发现了能够证明上夸克、下夸克和奇异夸克存在的证据。１９７４年，美国丁肇中实验室和里克特实验组，各自独立地发现由一对正反粲夸克组成的介子，从而证实了粲夸克的存在，因此分享了１９７６年的诺贝尔物理学奖。１９７７年，美国莱德曼实验组发现了底夸克存在的证据。１９９４年，费米实验室发现了顶夸克。什么是轻子轻子就是不参与强相互作用的费米子，它们参与弱相互作用与电磁作用。它们的自旋为1/2。至今实验上还没有发现轻子有任何结构，所以通常被认为自然界最基本的粒子之一。已经发现的轻子包括电子、μ子、τ子三种带一个单位负电荷的粒子，分别以e-、μ-、τ-表示，以及它们分别对应的电子中微子、μ子中微子、τ子中微子三种不带电的中微子，分别以νe、νμ、ντ表示。加上以上六种粒子各自的反粒子，共计12种轻子。发现轻子１８９７年，英国物理学家汤姆孙发现电子，因此荣获１９０６年诺贝尔物理学奖。这是人类认识的第一个基本粒子，不仅打破了道尔顿的“不可分”的原子，而且打破了物质结构的“终极”观念，把科学研究引上了一条出人意料的道路。于是，在２０世纪前夕，科学家面临着一个完全陌生而又非常奇特的世界。１９５３年，美国物理学家莱因斯和柯万一起取得了开拓性的成就，发现了电子型中微子，因此获得了１９９５年诺贝尔物理学奖。１９６２年美国哥伦比亚大学的莱德曼等人，在布鲁克海文国家实验室里，发出了μ子和μ子型中微子，并且发现中微子有不同类型，因此获得了１９８８年诺贝尔物理学奖。τ轻子，因此获得了１９９５年诺贝尔物理学奖。２０００年，由美日韩希腊等国５４人组成的国际科研小组，利用美国费米实验室的加速器经过３年的合作研究，首次发现了表明τ中微子存在的直接证据。至此，粒子物理学标准模型中的１２种基本粒子经百余年的探索，终于被人类全部发现。什么是媒介子如前所述，物质之间存在相互作用，而传递这种作用的粒子称为媒介子1强相互作用，媒介子为介子或胶子2弱相互作用，媒介子为中间玻色子3电磁相互作用，媒介子为光子4万有引力，媒介子为引力子有关引力子目前，前三种相互作用的媒介子都已在实验上证明了或者至少找到存在的证据了。而第四种，引力子尚未在实验上发现。在量子色动力学的标准模型下，万有引力是靠引力子传播的，如果这种引力子存在，也就在一定程度上解释了万有引力的本源。而引力子至今未发现存在的证据。至于有没有引力子，依然是个迷。引力和电磁力引力和电磁力在此不再赘述弱相互作用有两种弱相互作用，一种是有轻子(电子e，中微子ν，μ子以及它们的反粒子)参与的反应，如β衰变，μ子的衰变以及π介子的衰变等；另一种是Κ介子和∧超子的衰变。这两种弱相互作用的强度相同，都比强相互作用弱1012倍，相互作用时间约为10^(-6)～10^(-8)s。强相互作用强相互作用是作用于强子之间的力，是所知四种宇宙间基本作用力最强的，也是作用距离最短的（大约在10-15m范围内）。核子间的核力就是强相互作用，它抵抗了质子之间的强大的电磁力，维持了原子核的稳定。现在物理学家认为强相互作用的产生与夸克、胶子有关。Higgs粒子光子g和中间玻色子(w+、w-及z0)分别是电磁相互作用和弱相互作用的媒介子，在电弱统一理论中，这四种粒子都是电弱作用的场量子，它们都是零质量的粒子。但是由于对称性的破缺，只有一种媒介子(g光子)保持了零质量，而其他三种获得了巨大的质量。致使对称性破缺的机制，称为希格斯(higgs)机制。所以理论上确信，必定还存在一种被称为希格斯粒子的粒子。传递引力相互作用的媒介子是引力子g，是引力场量子，它是自旋为2的零质量粒子。希格斯粒子和引力子，是理论上被预言而在实验中尚未得到存在的直接证据的两个粒子。Higgs粒子英国物理学家希格斯最早在30年前预言了希格斯玻色子的存在，但科学至今没找到它的踪迹。希格斯玻色子被认为是物质的质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础。按理论假设，其它粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。希格斯玻色子对完善粒子物理学理论有重要意义。经过长时间的研究和索，科学家们曾建立起被称为标准模型的粒子物理学理论。该标准模型以夸克、轻子作为基本粒子，以弱电统一和量子色动力学理论为主要框架。标准模型预言了62种基本粒子的存在，这些粒子几乎都已被实验所证实，希格斯玻色子是最后一种未被发现的基本粒子。因此，寻找该粒子，被有人比喻为粒子物理学领域的“圣杯”。从实验上讲，虽然标准模型没有对Higgs粒子的质量作出直接预言，但标准模型本身的成功，尤其是基于Higgs机制对W±和Z0粒子的高精度的质量预言给Higgs机制提供了很强的间接支持。Higgs粒子由于Higgs粒子对高能物理中的许多反应过程有贡献，且这种贡献与Higgs质量有关，随着实验精度的提高，Higgs粒子的搜索范围正变得越来越窄。标准模型之父格拉肖(sheldonleeglashow)1975年，他和合作者一起在电弱统一理论和量子色动力学的基础上，提出了把弱相互作用、电磁相互作用、强相互作用统一起来的大统一理论，在基本粒子和场论的理论研究以及宇宙学的研究中都有较大的影响。正是由于这些成就，他与S.温伯格、A.萨拉姆共同获得了1979年诺贝尔物理学奖。粒子物理标准模型堪称是二十世纪物理学取得的最重大成就之一。格拉肖教授是粒子物理标准模型奠基人之一，也是大统一理论的开创者，他还成功地预言了粲夸克的存在。1999NobelPrice粒子物理发展到今天这种程度，特别是将强、电磁和弱三种相互作用全都统一的标准模型，在实验和理论两方面都取得了巨大的成功，霍夫特和韦尔特曼就是其中两位杰出的理论家.早在70年代初期，他们用自己提出的正规化方案，在特定规范下对电弱统一理论给出了完整的微扰计算方法和严格地证明了这理论的可重整性。他们另外两项开拓性研究成果——维数正规化方案和图论(diagrammar)在研究非阿贝尔规范场论中也发挥了巨大的作用.“为粒子物理学理论提供了更坚实的数学基础”和“提供了很好的可以用于预计新粒子特征的‘理论机器’”，他们获此殊荣是当之无愧的.2004NobelPrice戴维·格罗斯、戴维·波利茨、弗兰克·威尔茨克在对有关强作用力的研究方面作出了重要的理论发现。他们数字计算的解释说明夸克之间越接近，强作用力越弱。当夸克之间非常接近时，强作用力是如此之弱，以便到它们完全可以作为自由粒子活动。这种现象叫作“渐近自由”，即渐近不缚性。这三位科学家1973年通过一个完善的数学模型公布了这一发现。这一发现导致了一个全新的理论，即量子色动力学。这一理论对标准模型作出了重要贡献。标准模型形容了与电磁力、强作用力、弱作用力有关的所有物理现象。在量子色动力学家的帮助下，物理学家终于能够解释为什么夸克只有在极高能的情况下它才会表现为自由粒子。在质子和中子中，它们三个经常一起出现。标准模型的成功不是最后的答案虽然标准模型已经取得了很大的成功，但还可能存在尚未预言出的新粒子。电荷宇称不守恒的测量给与了标准模型又一实验支持，即使如此，宇称不守恒仍无法对过量物质的存在给出有力的解释。除此之外，还不断有新的实验事实对标准模型形成挑战。因此，标准模型能否成为真正的统一理论，还有待于科学的进一步发展。