關(guān)于粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型第1頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五引言自古以來，尋找宇宙的終極規(guī)律一直是人們的夢想。近代科學(xué)發(fā)現(xiàn)，宏觀尺度上的宇宙和微觀尺度上的基本粒子存在某些緊密地聯(lián)系。因此，微觀尺度上粒子的基本模型也就成為了解釋宇宙奧秘的鑰匙。第2頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五什么是標(biāo)準(zhǔn)模型

自然界有四種基本作用力，萬有引力，電磁力，弱作用力跟強(qiáng)作用力。電磁力跟弱作用力已經(jīng)被統(tǒng)一成為電弱理論。標(biāo)準(zhǔn)模型便是在次原子尺度下希望統(tǒng)合電弱作用力跟強(qiáng)作用力的理論。

第3頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五什么是標(biāo)準(zhǔn)模型原子原子核中子夸克近幾十年來，通過基本粒子物理學(xué)家不斷的努力，人造加速器的發(fā)展，以及借著外層空間高能的宇宙射線，建立了一套學(xué)說，以解釋宇宙中最基本的組成份子以及其間的交互作用力，這就是所謂的標(biāo)準(zhǔn)模型(StandardModel)。第4頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五我們已知的基本粒子可以分為兩個(gè)家族—夸克(Quarks)和輕子(Leptons)，這兩個(gè)家族各有六個(gè)成員，構(gòu)成三個(gè)世代。第一世代的粒子質(zhì)量最輕，而第三世代的粒子最重。此外還有四種媒介交互作用的媒介子(Mediator)，用來傳遞粒子之間的交互作用力?，F(xiàn)存的物質(zhì)，主要是由第一世代的基本粒子所組成，而第二第三世代的粒子大多已經(jīng)衰變成為第一代的基本粒子。什么是標(biāo)準(zhǔn)模型第5頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五什么是夸克20世紀(jì)60年代，美國物理學(xué)家默里·蓋爾曼和G.茨威格各自獨(dú)立提出了中子、質(zhì)子這一類強(qiáng)子是由更基本的單元——夸克(quark)組成的。它們具有分?jǐn)?shù)電荷，是電子電量的2/3或-1/3倍，自旋為1/2。第6頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五夸克的由來

“夸克”一詞是由默里·蓋爾曼改編自詹姆斯·喬伊斯的小說《芬尼根徹夜祭》(Finnegan‘sWake)中的詩句。最初解釋強(qiáng)相互作用粒子的理論需要三種夸克，叫做夸克的三種味，它們分別是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇異夸克(strange,s)。1974年發(fā)現(xiàn)了J/ψ粒子，要求引入第四種夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c)。1977年發(fā)現(xiàn)了Υ粒子，要求引入第五種夸克底夸克(bottom,b)。1994年發(fā)現(xiàn)第六種夸克頂夸克(top,t)，人們相信這是最后一種夸克。

第7頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五發(fā)現(xiàn)夸克

１９６４年，美國物理學(xué)家蓋爾曼和茨威格各自獨(dú)立地提出了三夸克模型，認(rèn)為重子和介子都是由夸克組成的。

１９６９年，美國斯坦福直線加速器中心驗(yàn)證了夸克的存在，并在普通物質(zhì)或宇宙線中發(fā)現(xiàn)了能夠證明上夸克、下夸克和奇異夸克存在的證據(jù)。１９７４年，美國丁肇中實(shí)驗(yàn)室和里克特實(shí)驗(yàn)組，各自獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)由一對正反粲夸克組成的介子，從而證實(shí)了粲夸克的存在，因此分享了１９７６年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

１９７７年，美國萊德曼實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)了底夸克存在的證據(jù)。

１９９４年，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了頂夸克。第8頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五什么是輕子

輕子就是不參與強(qiáng)相互作用的費(fèi)米子，它們參與弱相互作用與電磁作用。它們的自旋為1/2。至今實(shí)驗(yàn)上還沒有發(fā)現(xiàn)輕子有任何結(jié)構(gòu)，所以通常被認(rèn)為自然界最基本的粒子之一。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的輕子包括電子、μ子、τ子三種帶一個(gè)單位負(fù)電荷的粒子，分別以e-、μ-、τ-表示，以及它們分別對應(yīng)的電子中微子、μ子中微子、τ子中微子三種不帶電的中微子，分別以νe、νμ、ντ表示。加上以上六種粒子各自的反粒子，共計(jì)12種輕子。第9頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五發(fā)現(xiàn)輕子

１８９７年，英國物理學(xué)家湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子，因此榮獲１９０６年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這是人類認(rèn)識(shí)的第一個(gè)基本粒子，不僅打破了道爾頓的“不可分”的原子，而且打破了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的“終極”觀念，把科學(xué)研究引上了一條出人意料的道路。于是，在２０世紀(jì)前夕，科學(xué)家面臨著一個(gè)完全陌生而又非常奇特的世界。

１９５３年，美國物理學(xué)家萊因斯和柯萬一起取得了開拓性的成就，發(fā)現(xiàn)了電子型中微子，因此獲得了１９９５年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

１９６２年美國哥倫比亞大學(xué)的萊德曼等人，在布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室里，發(fā)出了μ子和μ子型中微子，并且發(fā)現(xiàn)中微子有不同類型，因此獲得了１９８８年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

１９７５年，美國物理學(xué)家佩爾等人的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了重輕子即τ輕子，因此獲得了１９９５年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。２０００年，由美日韓希臘等國５４人組成的國際科研小組，利用美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的加速器經(jīng)過３年的合作研究，首次發(fā)現(xiàn)了表明τ中微子存在的直接證據(jù)。至此，粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中的１２種基本粒子經(jīng)百余年的探索，終于被人類全部發(fā)現(xiàn)。

第10頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五什么是媒介子

如前所述，物質(zhì)之間存在相互作用，而傳遞這種作用的粒子稱為媒介子1強(qiáng)相互作用，媒介子為介子或膠子

2弱相互作用，媒介子為中間玻色子

3電磁相互作用，媒介子為光子

4萬有引力，媒介子為引力子

第11頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五有關(guān)引力子

目前，前三種相互作用的媒介子都已在實(shí)驗(yàn)上證明了或者至少找到存在的證據(jù)了。

而第四種，引力子尚未在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)。在量子色動(dòng)力學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型下，萬有引力是靠引力子傳播的，如果這種引力子存在，也就在一定程度上解釋了萬有引力的本源。而引力子至今未發(fā)現(xiàn)存在的證據(jù)。至于有沒有引力子，依然是個(gè)迷。第12頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五引力和電磁力引力和電磁力在此不再贅述第13頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五弱相互作用

有兩種弱相互作用，一種是有輕子(電子e，中微子ν，μ子以及它們的反粒子)參與的反應(yīng)，如β衰變，μ子的衰變以及π介子的衰變等；另一種是Κ介子和∧超子的衰變。這兩種弱相互作用的強(qiáng)度相同，都比強(qiáng)相互作用弱1012倍，相互作用時(shí)間約為10^(-6)～10^(-8)s。第14頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五強(qiáng)相互作用

強(qiáng)相互作用是作用于強(qiáng)子之間的力，是所知四種宇宙間基本作用力最強(qiáng)的，也是作用距離最短的（大約在10-15m范圍內(nèi)）。核子間的核力就是強(qiáng)相互作用，它抵抗了質(zhì)子之間的強(qiáng)大的電磁力，維持了原子核的穩(wěn)定?，F(xiàn)在物理學(xué)家認(rèn)為強(qiáng)相互作用的產(chǎn)生與夸克、膠子有關(guān)。

第15頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五第16頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五Higgs粒子

光子g和中間玻色子(w+、w-及z0)分別是電磁相互作用和弱相互作用的媒介子，在電弱統(tǒng)一理論中，這四種粒子都是電弱作用的場量子，它們都是零質(zhì)量的粒子。但是由于對稱性的破缺，只有一種媒介子(g光子)保持了零質(zhì)量，而其他三種獲得了巨大的質(zhì)量。致使對稱性破缺的機(jī)制，稱為希格斯(higgs)機(jī)制。所以理論上確信，必定還存在一種被稱為希格斯粒子的粒子。

傳遞引力相互作用的媒介子是引力子g，是引力場量子，它是自旋為2的零質(zhì)量粒子。希格斯粒子和引力子，是理論上被預(yù)言而在實(shí)驗(yàn)中尚未得到存在的直接證據(jù)的兩個(gè)粒子。第17頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五Higgs粒子

英國物理學(xué)家希格斯最早在30年前預(yù)言了希格斯玻色子的存在，但科學(xué)至今沒找到它的蹤跡。希格斯玻色子被認(rèn)為是物質(zhì)的質(zhì)量之源，是電子和夸克等形成質(zhì)量的基礎(chǔ)。按理論假設(shè)，其它粒子在希格斯玻色子構(gòu)成的“海洋”中游弋，受其作用而產(chǎn)生慣性，最終才有了質(zhì)量。

希格斯玻色子對完善粒子物理學(xué)理論有重要意義。經(jīng)過長時(shí)間的研究和索，科學(xué)家們曾建立起被稱為標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子物理學(xué)理論。該標(biāo)準(zhǔn)模型以夸克、輕子作為基本粒子，以弱電統(tǒng)一和量子色動(dòng)力學(xué)理論為主要框架。標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言了62種基本粒子的存在，這些粒子幾乎都已被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，希格斯玻色子是最后一種未被發(fā)現(xiàn)的基本粒子。因此，尋找該粒子，被有人比喻為粒子物理學(xué)領(lǐng)域的“圣杯”。第18頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五從實(shí)驗(yàn)上講，雖然標(biāo)準(zhǔn)模型沒有對Higgs粒子的質(zhì)量作出直接預(yù)言，但標(biāo)準(zhǔn)模型本身的成功，尤其是基于Higgs機(jī)制對W±和Z0粒子的高精度的質(zhì)量預(yù)言給Higgs機(jī)制提供了很強(qiáng)的間接支持。Higgs粒子由于Higgs粒子對高能物理中的許多反應(yīng)過程有貢獻(xiàn)，且這種貢獻(xiàn)與Higgs質(zhì)量有關(guān)，隨著實(shí)驗(yàn)精度的提高，Higgs粒子的搜索范圍正變得越來越窄。第19頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五標(biāo)準(zhǔn)模型之父

格拉肖(sheldonleeglashow)1975年，他和合作者一起在電弱統(tǒng)一理論和量子色動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上，提出了把弱相互作用、電磁相互作用、強(qiáng)相互作用統(tǒng)一起來的大統(tǒng)一理論，在基本粒子和場論的理論研究以及宇宙學(xué)的研究中都有較大的影響。正是由于這些成就，他與S.溫伯格、A.薩拉姆共同獲得了1979年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型堪稱是二十世紀(jì)物理學(xué)取得的最重大成就之一。格拉肖教授是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型奠基人之一，也是大統(tǒng)一理論的開創(chuàng)者，他還成功地預(yù)言了粲夸克的存在。第20頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五1999NobelPrice

粒子物理發(fā)展到今天這種程度，特別是將強(qiáng)、電磁和弱三種相互作用全都統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)模型，在實(shí)驗(yàn)和理論兩方面都取得了巨大的成功，霍夫特和韋爾特曼就是其中兩位杰出的理論家.

早在70年代初期，他們用自己提出的正規(guī)化方案，在特定規(guī)范下對電弱統(tǒng)一理論給出了完整的微擾計(jì)算方法和嚴(yán)格地證明了這理論的可重整性。他們另外兩項(xiàng)開拓性研究成果——維數(shù)正規(guī)化方案和圖論(diagrammar)在研究非阿貝爾規(guī)范場論中也發(fā)揮了巨大的作用.“為粒子物理學(xué)理論提供了更堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)”和“提供了很好的可以用于預(yù)計(jì)新粒子特征的‘理論機(jī)器’”，他們獲此殊榮是當(dāng)之無愧的.第21頁，共23頁，2023年，2月20日，星期五2004NobelPrice

戴維·格羅斯、戴維·波利茨、弗蘭克·威爾茨克在對有關(guān)強(qiáng)作用力的研究方面作出了重要的理論發(fā)現(xiàn)。他們數(shù)字計(jì)算的解釋說明夸克之間越接近，強(qiáng)作用力越弱。當(dāng)夸克之間非常接近時(shí)，強(qiáng)作用力是如此之弱，以便到它們完全可以作為自由粒子活動(dòng)。這種現(xiàn)象叫作“漸近自由”，即漸近不縛性