粒子物理标准模型

什么是标准模型
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(Standard Model)。
原子
中子
夸克 原子核
什么是标准模型
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。
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‘s Wake)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。
2004 Nobel Price
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。
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 。
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。
1999 Nobel Price
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.
标准模型之父 格拉肖(sheldon lee glashow)
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。
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。
Higgs粒子
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。 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。
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 10-15 m 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。
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。
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。
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。
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”。
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。
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Fra Baidu bibliotek夸克 组成的介子，从而证实了粲夸 克的存在，因此分享了１９７ ６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。
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。