标準模型

标準模型

物理術語
标準模型為物理術語,是指一套描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子的理論。它隸屬量子場論的範疇,并與量子力學及狹義相對論相容。到現時為止,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。但是标準模型還不是一套萬有理論,主要是因為它并沒有描述到重力。标準模型描述了與電磁力、強作用力、弱作用力三種基本力(沒有描述重力)及組成所有物質的基本粒子的所有物理現象,可很好地解釋和描述基本粒子的特性及相互間的作用。[1]
    中文名:标準模型 外文名: 适用領域: 所屬學科:物理學 英文名:Standard Model,SM 描述範疇:強力、弱力及電磁力

相互作用

1.1強相互作用

1.2弱相互作用

1.3電磁相互作用

1.4引力相互作用

嘗試打破

2.1自從二十世紀七十年代标準模型建立之後,物理學家們就一直在嘗試超越它。

2.2他們必須用與那些近乎完美的方程預言的結果相反的實驗數據來推翻它,然後再從廢墟上重新建造一個更新更好的理論。

2.3坐落在瑞士日内瓦附近的歐洲核子研究中心(CERN)内的大型強子對撞機(Large Hadron Collider,LHC)正是推翻這個模型的最新嘗試,也是許多人認為最可能成功的。

2.3.1它供應的巨大能量将會使粒子加速到标準模型力所不達的領域

2.3.2到目前為止,LHC是最受歡迎的

2.4自2001年以來,坐落在美國伊利諾斯州費米實驗室的Tevatron就不停将質子和反質子加速到萬億電子伏特的對撞能級了。

2.5 超出标準模型的東西已經出現

2.5.1與标準模型不符的結果之一就是對奇異B介子(Bs)的測量。

2.5.2奇異B介子是由一個奇異誇克和一個反底誇克組成的,在介子的世界中算是非常重量級的了。

2.5.3根據電荷-宇稱對稱性,标準模型預言奇異B介子和它的反粒子(由一個反奇異誇克和一個底誇克組成)的衰變路徑相同。

2.5.4據Tevatron D-Zero實驗的發言人Dmitri Denisov所言,這種差異在将來的探索中可能會成為一條重要的線索,可能意味着存在未知的粒子或者法則。

主要内容

3.1标準模型包含費米子及玻色子

3.1.1費米子為擁有半整數的自旋并遵守泡利不相容原理(這原理指出沒有相同的費米子能占有同樣的量子态)的粒子

3.1.2玻色子則擁有整數自旋而并不遵守泡利不相容原理。

3.1.3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。

3.2電弱統一理論與量子色動力學

3.2.1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。

3.2.2由于每組中介玻色子的拉格朗日函數在規範變換中都不變,所以這些中介玻色子就被稱為規範玻色子。

标準模型所包含的玻色子有:

膠子:強相互作用的媒介粒子,自旋為1,有8種

光子:電磁相互作用的媒介粒子,自旋為1,隻有1種

W及Z玻色子:弱相互作用的媒介粒子,自旋為1,有3種

希格斯粒子

引導規範組的自發對稱性破缺,亦是慣性質量的源頭。

在衆玻色子中,隻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入标準模型之中。

規範玻色子的規範變換是可以準确地利用一個稱為“規範群”的酉群去描述。強相互作用的規範群是SU⑶,而電弱作用的規範群是SU⑵×U⑴。所以标準模型亦被稱為SU⑶×SU⑵×U⑴。

費米子

4.1組成大部份物質三種粒子

質子和中子隻是由更基本的誇克,受強作用力吸引而組成。

4.1.1質子

4.1.2中子

4.1.3電子

4.1.3.1當中隻有電子是這套理論的基本粒子。

4.2标準模型的基本費米子

标準模型中的左旋費米子費米子符号電磁荷弱荷*弱同自旋(Weak isospin)超荷強荷(色荷)*質量**

*-這些不是一般的阿貝爾電荷(Abelian charges),而是李群(Lie group)之群表達式(group representation)标簽。它們不能相加。

**-質量實為左旋及右旋費米子的耦合 (Coupling)。例如電子之質量實為一左旋電子及一右旋電子(左旋正子之反粒子)之耦合。另外,中微子在它們的質量耦合中因有大量混合,故不能準确以味道或(此表似乎顯示出的)左右旋中微子質量等同來得出中微子之質量。

***-正式量得的實為重子(Baryon)、強子(Hadron)及其他交比(Cross section rates)之質量。因量子色動力學之色禁閉(QCD Confinement)使誇克不能獨立存在,這裡顯示的數值為誇克于量子色動力學相移重整化(QCD Phase Transition Renormalization)後的值。為了計算此值,物理學家建立了一個格點模型 (Lattice model) 并嘗試給予誇克不同的質量值,直至接近于實驗數據為止。由于第一代的誇克質量遠低于量子色動力學所需的大小,故其不确定性是很大的。事實上,現今的量子色動力學的格點模型給出的誇克質量似乎比上表還小。

費米子可以分為三個“世代”。第一代包括電子、上及下誇克及電子中微子。所有普通物質都是由這一代的粒子所組成;第二及第三代粒子隻能在高能量實驗中制造出來,而且會在短時間内衰變成第一代粒子。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,唯一的分别就是它們的質量。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。

電子與電子中微子,以及在第二、三代中相對應的粒子,被統稱為輕子。它們與其他費米子不同處在于它們沒有一種叫“色”的性質,所以它們的作用力(弱力、電磁力)會随距離增加變得越來越弱。相反,誇克間的強力會随距離增加而增強,所以誇克永遠隻會在色荷為零的組合中出現,這些不同的組合被統稱為“強子”。

4.2.1第一代

左旋電子e -1 2 -1/2 -1/2 1 0.511 MeV

左旋電子中微子 νe 0 2 +1/2 -1/2 1<50 eV

左旋正子ec 1 1 0 1 1 0.511 MeV

左旋電子反中微子 nu_e^c 0 1 0 0 1<50 eV

左旋上誇克u +2/3 2 +1/2 +1/6 3~5MeV ***

左旋下誇克d -1/3 2 -1/2 +1/6 3~10MeV ***

左旋反上誇克uc -2/3 1 0 -2/3 bar~5 MeV ***

左旋反下誇克dc +1/3 1 0 +1/3 bar~10 MeV ***

4.2.2第二代

左旋μ子μ -1 2 -1/2 -1/2 1 105.6 MeV

左旋μ子中微子νμ 0 2 +1/2 -1/2 1 < 0.5 MeV

左旋反μ子μc 1 1 0 1 1 105.6 MeV

左旋μ子反中微子nu_mu^c 0 1 0 0 1 < 0.5 MeV

左旋魅誇克c+2/3 2 +1/2 +1/6 3 ~1.5 GeV

左旋奇誇克s-1/3 2 -1/2 +1/6 3 ~100 MeV

左旋反魅誇克cc-2/3 1 0 -2/3 bar ~1.5 GeV

左旋反奇誇克sc+1/3 1 0 +1/3 bar ~100 MeV

4.2.3第三代

左旋τ子τ-12 -1/2 -1/2 1 1.784 GeV

左旋τ子中微子 ντ 0 2+1/2 -1/2 1<70MeV

左旋反τ子τc 1 1 0 1 1 1.784 GeV

左旋τ子反中微子 nu_tau^c 0 1 0 0 1<70MeV

左旋頂誇克t+2/3 2 +1/2+1/6 3 178 GeV

左旋底誇克b-1/3 2 -1/2+1/6 3~4.7 GeV

左旋反頂誇克tc-2/3 1 0-2/3 bar 178 GeV

左旋反底誇克bc+1/3 1 0+1/3 bar~4.7 GeV

測試預測

在W玻色子、Z玻色子、膠子、頂誇克及魅誇克未被發現前,标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确。

擴展

首個與标準模型不相乎的實驗結果在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。标準模型的簡單修正(引入非零質量的中微子)可以解釋這個實驗結果。這個新的模型仍叫做标準模型。

大統一理論是标準模型的一個擴展。它假設SU⑶、SU⑵及U⑴群其實是一個更大的對稱群的成員。隻有在高能狀态(比現時實驗能達到的能量還要高)這個對稱性才能保存;在低能狀态,它自發破缺到SU⑶×SU⑵×U⑴。第一個大統一理論(SU⑸大統一)是由Georgi及Glashow于 1974年提出的。其它流行的還有SO⑽和E⑹大統一模型。

解決自然性問題的主要方案包括technicolor模型,超對稱模型,額外空間維度等等。超弦模型則是描寫包括引力在内所有基本現象的終級理論的最主要代表。

許多标準模型的擴展都預言了質子衰變。這一現象至今沒有為實驗所證實。

缺陷

雖然标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,模型中包含了許多參數,如各粒子的質量和各相互作用強度。這些數字不能隻從計算中得出,而必須由實驗決定。其次,理論所預測的希格斯玻色子到現時為止才被正式發現。弱電對稱破缺還沒有滿意的解釋。再次,理論中存在所謂的自然性問題。最後,這理論未能描述引力。當然,其第二個缺陷在2012年7月4日被提出——來自LHC的數據認為希格斯玻色子可能被發現了,而時至2013年3月14日,希格斯玻色子的存在被基本确認。

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