【原】最成功的物理學理論之一——標準模型，幫助我們認識世界的本質

老胡說科學 2021-10-20

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在這篇文章中，我們將接續(xù)我上一篇文章的內容，了解從1950年到60年代末的標準模型的歷史。我們將介紹粒子加速器的發(fā)展、強子的故事和對稱性破缺。

標準模型簡史（至1950s），描述粒子及其相互作用的最好理論

粒子加速器和對稱性——20世紀50年代至60年代?

自20世紀50年代以來，絕大多數的粒子物理學實驗都是圍繞著將粒子撞擊在一起而進行的。其原理很簡單--將粒子加速到接近光速的速度，然后讓它們碰撞。在粒子碰撞之后，分析它們是如何散開的，看看是否與理論預測一致。物理學家通過計算散射振幅（scattering amplitudes）來預測散射應該是什么樣子的。散射振幅是一種概率分布，它描述了粒子在相互作用后可能處于個狀態(tài)。振幅分析是量子場理論的一個必修課。

粒子加速器是一種設備，可以將粒子加速到散射實驗所需的高能量。在20世紀50年代，粒子加速器和氣泡室（bubble chambers）有了一個顯著的改進。在20世紀40年代末，物理學家通常用同步加速器來做這個實驗。同步加速器是一種用磁場加速粒子的加速器。隨著粒子能量的增加，磁場的強度也隨之增加以跟上它。

磁場強度需要隨著粒子速度的增加而增加，并使其保持在一個圓形的形狀。否則，粒子就會偏離方向。

同步加速器在20世紀40年代末被用來加速電子，讓電子接近光速通常要容易得多（相比于質子而言）。所需的能量通常在1 GeV左右。在同步加速器中加速質子直到1952年才獲得成功，質子同步加速器的進一步發(fā)展能夠產生能量E≥MeV。

20世紀50年代是黃金的十年，在此期間發(fā)現了幾十種粒子，其中大部分與強相互作用有關。這些粒子主要是強子。強子是一種由夸克組成的粒子，這是一種我們將在后面談論的基本粒子。質子和中子是強子，但還有其他例子，如介子。

物理學家當時并沒有認真對待夸克的概念。夸克是一種基本粒子，通過強相互作用而聚集在一起，強相互作用力的載體是膠子。在量子色動力學中有一個關于夸克及其相互作用的理論。

上面的圖是一個質子。它是由兩個 "上 "夸克和一個 "下 "夸克組成?？淇吮粡娤嗷プ饔幂d體——膠子固定在一起。

強子被分為兩種不同的類型，取決于它們由多少個夸克組成。有兩個夸克的強子被稱為介子，而有三個夸克的強子被稱為強子。你可能知道的強子是質子和中子，它們都由三個夸克組成。我們在前面的文章中討論過的π介子，它是一種介子。

走進奇異原子世界，它為何能引發(fā)新的物理學，甚至促使能源突破？

有一些特定類型的屬性與粒子相關聯，我們通常會將這些特性與粒子聯系起來。其中一個特征，電荷，是我們熟悉的東西。質子有一個正電荷，而電子有一個負電荷。電荷的概念很重要，因為它在相互作用過程中保持不變。

隨著新粒子被發(fā)現，物理學家推測可能還有其他類型的電荷存在。其中一個種是奇異性（strangeness），它在衰變中發(fā)揮作用。奇異性是一種電荷，當物體在強相互作用下相互作用時守恒。

此外，還有一種被稱為 "奇偶性 "的屬性，大致上是指對粒子的方向進行編碼。事實證明，與電磁和強相互作用不同，奇偶性在弱相互作用下是不守恒的。在吳健雄等的實驗中，發(fā)現鈷的β衰變改變了方向。這表明，奇偶性并不是大家曾經認為的自然界的基本對稱性。

20世紀60年代的對稱性?

物理理論的對稱性是如何與電荷等守恒量緊密相連的？通常情況下，一個物理理論都有一個相關的對稱群。例如，在量子電動力學（支配電磁力的理論）中，我們有一個被數學家稱為 "U（1）對稱 "的對稱結構，由光子介導。

其他理論，以及因此而提出的對稱群，以某種方式統(tǒng)一了弱、強和電磁相互作用。一個例子是楊-米爾斯理論，一個非阿貝爾對稱群。它目前被用于標準模型，但在當時，它所預測的中介粒子還沒有被發(fā)現，所以科學界否定了這個理論。

缺乏一個統(tǒng)一的對稱群是一個問題。在20世紀50年代，發(fā)現了這么多粒子，但不知道哪些粒子是基本粒子，哪些不是。然而，在1961年，蓋爾曼等發(fā)現了“八重法”。

介子的八隅體

八重法是一種方法，根據稱為 "SU(3) "的對稱群的表征，系統(tǒng)地組織不同的粒子。一個對稱群的表征是一組遵守基本對稱規(guī)則的數學對象。例如，為了表示旋轉群，我可以給你一個角度，讓你在0到360度之間旋轉一個圓。在這種情況下，我用一個數字表示旋轉群。這將是旋轉組的一維表示。然而，我也可以用表示旋轉的2 × 2矩陣來表示它，這將是一個二維的表示。

有一個想法，即通過將粒子組織成群組的代表來給粒子增加一些結構。像SU(3)這樣的群的表征可以被看作是網格上的一個格子，其中X軸是一個守恒量，Y軸是另一個守恒量。中子和質子是一個單一多重態(tài)的兩個狀態(tài)，是SU（3）的8維表示法的一部分。這在下面的奇異性和電荷的圖表中表示出來。八個維度中的每一個都預測或與粒子的存在相一致。

還有一個10維的SU(3)表示法，Ω-粒子還沒有被發(fā)現，但從格子圖中，蓋爾曼預測了它的存在，然后在不久之后發(fā)現了它。然后，在1964年，蓋爾曼等再次提出了夸克的想法。在數學中，對稱群有一個 "內在的 "表示，稱為基本表示。SU(3)的基本表示是三維的，這促使人們產生了夸克的想法，因為三個夸克組成一個強子。最初的夸克是上、下和奇異夸克。

由于數學上的原因，除非有另一個守恒量，否則10表示法、奇異性、夸克和費米子的存在是不可能的。1964年格林伯格和1965年南部和韓提出了顏色的概念來解決這個問題。1967年，深度非彈性散射給出了第一個證據，證明質子和中子內部有東西。然后人們開始認真對待夸克的想法。

對稱性破缺?

解釋粒子具有質量的最佳機制—自發(fā)對稱性破缺，如何理解負質量？

這些發(fā)展都是好的，但沒有人能夠解釋為什么粒子有質量。要做到這一點，他們需要額外的數學機制。早在1961年，南部、戈德斯通、薩拉姆和溫伯格就提出了對稱性破缺的想法。南部從超導中得到了對稱性破缺的想法。對稱性破缺是指在某些條件下，如較低的溫度，場方程的解坍縮成一種狀態(tài)，這種狀態(tài)不一定保持理論本身的原始對稱。

戈德斯通意識到，當把一個對稱性分解成一個更小的對稱群時，一個粒子應該是無質量的，另一個是有質量的。

這就是為什么粒子可能有質量背后的機制，在1964年，希格斯機制被發(fā)現。希格斯機制是一種對稱性破缺，是解釋標準模型中質量的模型。希格斯機制還預測了一個新粒子的必要存在，即2013年發(fā)現的希格斯玻色子。

希望這篇文章已經給出了一些關于標準模型的相對近期發(fā)展的細節(jié)。在下一篇文章中，我將寫到標準模型目前的問題。