标准模型简介

标准模型理论

121002009 刘雪燕

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。它隶属量子场论的范畴，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。

历史背景

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，形成了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，包括了玻色子，费米子（夸克，轻子和重子）。1973年发现了由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了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

标准模型的内容

标准模型共61种基本粒子，根据自旋分成分为费米子和玻色子两大类，费米子（指组成物质的粒子，如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子），有半整数自旋（如1/2，3/2，5/2等），玻色子（指传递作用力的粒子，如传递电磁力的光子、介子、传递强核力的胶子、传递弱核力的W和Z玻色子）有整数自旋（如0，1，2等）。自旋的差异使费米子和玻色子有完全不同的特性。费米子拥有半整数的自旋并遵守泡利不兼容原理；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

光子- 电磁相互作用的媒介粒子，自旋为1，只有1种

W及Z玻色子- 弱相互作用的媒介粒子，自旋为1，有3种

Higgs粒子- 引导规范群的自发对称性破缺，与费米子有汤川耦合，亦是惯性质量的源头。

规范玻色子的规范变换可以准确地利用规范群去描述。如图

在众玻色子中，只有Higgs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。

Higgs机制

理论上可以证明:如果一个体系的连续对称性自发破缺，则必定存在一些静止质量为零的标量粒子(即存在一种标量场)，这些标量粒子称之为Goldstone粒子，但在实验上一直未曾发现这种质量为零的标量粒子，因此人们曾经怀疑真空对称性破缺的正确性，但是这个问题被所谓的"Higgs机制"从理论上解决了。要求有自发破缺的标量体系，在进行某种规范变换下不变，也需要引进规范场，规范场的场量子是无静止质量的，横向极化自由度(ZS= ±l):Higgs机制指出[14]，这种规范场和前述标量场之间有相互作用，这时规范场粒子会"吃掉"标量场的Goldstone粒子，或者说Goldstone粒子会转化为规范场的纵向极化分量的自由度。因此，规范场粒子变得具有三个极化自由度（ZS= 士1，0),即变成具有静止质量的矢量粒子。虽然规范场粒子这时具有了静止质量，但由于理论上始终保持了规范不变性，所以仍然可以重整化[10],这就解决了有质量的场粒子和重整化之间的矛盾。对规范场的对称自发破缺，其后果就是规范场量子获得了质量，尽管体系的哈密顿量中并不包含质量项。由于哈密顿量不含质量项，也因此理论是不变的，这称之为Higgs机制。

标准模型中存在的问题

标准模型是一个相当成功的可重整化理论，基本上与众多的精确实验数据相符合。例如它成功地预言了弱中性流的存在以及其存在形式，W+与Z0的质量关系等等。虽然原始的框架中并没有为中微子提供质量，但是它们可以很容易通过额外增添右手中微子R 或者增添更髙维的有效算子引入进来。当我们结合描述强相互作用的QCD理论以后，标准模型能够精确描述基本粒子之间至少小到10-16cm的相互作用，而当我们结合广义相对论对引力的解释，标准模型可以解释绝大多数我们可以观测到的自然现象。尽管如此，标准理论本身还有好多的不足之处，例如标准模型中包含了许多并不能由理论本身来确定的自由参数,如各粒子的质量和各相互作用强度，这些值必须由实验决定。当不考虑中微子质量时，标准模型有19个自由参数，13个规范耦合系数，9个费米子质量，4个CKM矩阵参数，2个Higgs部分参数，1个QCD的θ参数，当考虑中微子质量时，还需要再额外加上7或者9个参数，其中包括3个质量，3个混合角，1个CP 破坏相因子（如果中微子是Majorana粒子的话，还需要增加2个相因子）。大多数物理学家都相信，作为一个基本理论，标准模型的自由参数实在是太多了，故它更像是一个更基本的理论的低能近似。另外，标准模型还存在不自然性问题、费米子问题、中微子问题等一系列问题。

为了解决标准模型存在的问题，人们已经提出了许多TeV量级上的新物理模型。其中一些只是在实验限制和场论结构方面做一些修正，而另一些则是试图将电弱能标上的描述与更基本的自然描述相统一，比如量子引力理论。不管它们的结构有多大不同，它们主要都把焦点集中在以下两方面的问题上。首先，它们试图去解释电弱对称性破缺以及与之有关的基本标量的谜团；其次，任何一个描述电弱能标附近的物理模型都想去解释观测到的暗物质的问题。

由于标准模型存在着一些缺陷，人们己经在构造新物理模型方面作了大量的尝试，其间出现了不少有建设性的想法。本文简要地介绍了一下标准模型中的电弱理论部分，

并着重介绍了电弱对称性破缺机制以及Higgs质量的来源问题。之后又简单地介绍了目前来说标准模型中存在的部分比较常见的问题，并就中微子质量和暗物质问题做了重点讨论。最后，就比较常见的Little Higgs模型、超对称模型以及额外维空间作了一简单介绍。总之，通过本文能让读者对粒子物理中的标准模型理论有一个比较透彻和深入的理解。