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标准模型

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标准模型中的粒子有六种是夸克(图中用紫色表示),有六种是轻子(图中用绿色表示)。左边的三列中,每一列构成物质的一。再右邊一列是規範玻色子,最右邊粒子是希格斯玻色子
粒子物理學標準模型
Feynmann Diagram Gluon Radiation.svg
標準模型

粒子物理學裏,標準模型英语Standard Model, SM)是一套描述強力弱力電磁力這三種基本力及組成所有物質基本粒子的理論。它隷屬量子場論的範疇,並與量子力學狭义相對論相容。到目前為止,幾乎所有對以上三種力的實驗的結果都合乎這套理論的預測。但是標準模型還不是一套萬有理論,主要是因為它並沒有描述到引力

历史背景[编辑]

现在普遍认为对于标准模型的最初研究是谢尔登·格拉肖在1960年发现的电弱相互作用。在1967年,史蒂芬温伯格和阿卜杜勒·萨拉姆将希格斯机制引入格拉肖的弱电理论,形成我们现在看到它的形式。希格斯机制被普遍的认为能够解释粒子的质量来源,包括玻色子费米子(夸克,轻子和重子)。

1973年发现由Z玻色子引起的弱中性流之后,电弱理论被广泛的接受。由此贡献,萨拉姆和温伯格获得1979年的诺贝尔奖。W和Z玻色子在1981年被实验所发现,而他们的质量已经被当时所逐步建立的标准模型预言了。

至于强相互作用的理论,大多在1973-74年做出进步:那会儿正是有关实验得出成果的时候。强子所带的分数电荷也是那时候验证的。

標準模型的內容[编辑]

標準模型共61种基本粒子(见表)包含費米子玻色子——費米子為擁有半奇数的自旋並遵守泡利不相容原理(這原理指出沒有相同的費米子能佔有同樣的量子態)的粒子;玻色子則擁有整數自旋而並不遵守泡利不相容原理。簡單來說,費米子就是組成物質的粒子而玻色子則負責傳遞各種作用力。

基本粒子
种类 世代 反粒子 总计
夸克 2 3 成对 3 36
轻子 2 3 成对 无色 12
胶子 1 1 自身 8 8
W粒子 1 1 成对 无色 2
Z粒子 1 1 自身 无色 1
光子 1 1 自身 无色 1
希格斯粒子 1 1 自身 无色 1
总计 61

電弱統一理論量子色動力學在標準模型中合併為一。這些理論都是規範場論,即它們把費米子跟玻色子(即力的中介者)配對起來,以描述費米子之間的力。由於每組中介玻色子的拉格朗日函數規範變換中都不變,所以這些中介玻色子就被稱為規範玻色子。標準模型所包含的玻色子有:

實際上規範玻色子的規範變換是可以準確地利用一個稱為「規範群」的酉群去描述。強相互作用的規範群是SU(3),而電弱作用的規範群是SU(2)×U(1)。所以標準模型亦被稱為SU(3)×SU(2)×U(1)

在眾玻色子中,只有希格斯玻色子不是規範玻色子。而負責傳遞引力相互作用的玻色子——引力子則未能被包括在標準模型之中。

標準模型包含了十二種「味道」的費米子。組成大部份物質三種粒子:質子、中子及電子,當中只有電子是這套理論的基本粒子。質子和中子只是由更基本的夸克,受強作用力吸引而組成。以下的標準模型的基本費米子:

費米子可以分為三個「世代」。第一代包括電子、上及下夸克及電中微子。所有普通物質都是由這一代的粒子所組成;第二及第三代粒子只能在宇宙射線或是高能實驗中製造出來,而且會在短時間內衰變成第一代粒子。把這些粒子排列成三代是因為每一代的四種粒子與另一代相對應的四種粒子的性質幾乎一樣,唯一的分別就是它們的質量。例如,電子跟μ子的自旋皆為半整數而電荷同樣是-1,但μ子的質量大約是電子的二百倍。

電子與電微中子,以及在第二、三代中相對應的粒子,被統稱為輕子。夸克擁有一種叫“”的量子性質,並且與強作用力耦合。強作用力不同於其他的作用力(弱力、電磁力、重力),會隨距離增加變得越來越強。由於強作用力的色禁閉特性,夸克永遠只會在色荷為零的組合中出現(如介子、重子),這些不同的組合被統稱為「強子」。

目前實驗中確認的強子有兩種:由三顆夸克組成的費米子,即重子(如質子及中子);以及由夸克-反夸克對所組成的玻色子,即介子(如π介子)。而由五個夸克所組成的五夸克粒子,目前實驗上的結果仍有爭議。

標準模型費米子列表[编辑]

本列表一部分根據粒子數據團隊(Particle Data Group)的資料。[1]

標準模型参数[编辑]

标准模型中含有19个自由参数,只能由实验来确定。包括三个规范耦合常数:g_{3}, g, g'(或等价于:强耦合常数\alpha_{s} = ({g^{2}_{3}}/{4\pi}),精细结构常数\alpha_{EM}=({e^{2}}/{4\pi})~(e=g sin\theta_W)弱混合角sin\theta_W=(g')^2 / (g^2 + (g')^2费米耦合常数G_\text{F}/{\sqrt{2}}=1/2v^{2}=g^{2}/8M_\text{W}^{2})),再加上9个费米粒子质量和4个CKM矩阵混合相角,另外三个是vλ希格斯场VEV(真空期望值)和希格斯自耦合强度,或等价于 M_Z,m_H )和QCD  ~ \theta 参数。若中微子有质量需扩展标准模型 ,假如中微子是一种马约拉纳粒子(目前还不清楚),则至少需增加9个参数:3个中微子质量和6个混合角。

測試及預測[编辑]

W玻色子Z玻色子膠子、頂夸克及粲夸克未被發現前,標準模型已經預測到它們的存在,而且對它們性質的估計非常精確。

CERN的大型電子-正子對撞機測試並確定標準模型有關Z玻色子衰變的預測。

標準模型的扩展[编辑]

未解決的物理學問題
  • 到底是甚麼造成了粒子物理學的標準模型?
  • 為什麼粒子質量耦合常數coupling constant)會擁有實驗測量的數值?其物理意義為何?
  • 為什麼粒子會有三代?有否可能找到第四代粒子?
  • 在這宇宙裏,為什麼粒子比反粒子超多?
  • 怎樣將暗物質納入標準模型?暗物質是否為新粒子?
Question mark2.svg

雖然標準模型對實驗結果的解釋很成功,但它也有很大的缺陷。首先,模型中包含了许多參數,如各粒子的質量和各相互作用强度。這些數字不能只從計算中得出,而必須由實驗決定。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,這理論未能描述引力

首個與標準模型不相符的實驗結果在1998年出現:日本超級神岡中微子探測器發表有關中微子振蕩的結果,顯示中微子擁有非零質量。標準模型的简单修正(引入非零質量的中微子)可以解释这个实验结果。這個新的模型仍叫做標準模型。

大統一理論是标准模型的一个扩展。它假設SU(3)、SU(2)及U(1)群其實是一個更大的對稱群的成員。只有在高能狀態(比現時實驗能達到的能量還要高)這個對稱性才能保存;在低能狀態,它自發破缺到SU(3)×SU(2)×U(1)。第一個大統一理論(SU(5)大統一)是由Georgi及Glashow於1974年提出的。其它流行的还有SO(10)和E(6)大统一模型。

解决自然性问题的主要方案包括藝彩理論technicolor theory),超對稱模型,额外维度等等。超弦模型则是描写包括引力在内所有基本现象的终级理论的最主要代表。

许多標準模型的扩展都預言了質子衰變。这一现象至今没有为实验所证实。

參閱[编辑]

參考文獻[编辑]

  1. ^ W.-M. Yao et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics: Quarks. Journal of Physics G. 2006, 33: 1. arXiv:astro-ph/0601168. Bibcode:2006JPhG...33....1Y. doi:10.1088/0954-3899/33/1/001. 

外部連結[编辑]