當代粒子物理學（草稿）
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粒子物理學是研究基本粒子極其相互作用的學科。它是狹義相對論和量子力學結
合的結果，也叫量子場論。由於涉及相對論性能量高的粒子，所以又稱為高能物
理。基本粒子是目前人們知道的（即在 100 gev 能量尺度以下）構成物質的最
基本的單元，比如電子，夸克等。除了萬有引力，它們的相互作用有三種：電磁
相互作用，弱相互作用和強相互作用。目前人們已經發現了描述這些相互作用的
理論：su(3)xsu(2)xu(1) 規範對稱場論。它被稱為粒子物理學的標準模型，其
中 su(3) 描述夸克間的強相互作用，su(2)xu(1) 是電磁與弱相互作用的統一理
論。標準模型的建立是二十世紀物理學的最大成就。它幾乎與目前所有的物理實
驗，包括歐洲核子中心的 lep 實驗和美國費米實驗室的 tevatron 實驗，相符
合。
但是這個標準模型不會是所謂最終理論。比如它雖然可以容納不同質量的費米子
（如電子，mu-子，tau-輕子等），但是它不能給出這些不同質量的起源。目前
的中微子振盪觀測意味着中微子有極小的質量。這也是需要對標準模型做一些修
改後才能描述的。特別地，lep 實驗間接表明可能在極高能量標度（10^16 gev），
上述三種相互作用是統一的。這都說明進一步的實驗和理論研究是必須的。
標準模型的最主要的理論問題是電弱對稱自發破缺的自然性問題。電弱統一理論
引入了標量粒子-- higgs 粒子。這種粒子的質量決定了電弱對稱破缺的能量標
度。因此，它的質量應該是 100 gev 左右。可是從量子力學的角度我們預期這
種標量粒子的質量應與下一個超出標準模型的新物理出現的能標相關。量子效應
會使 higgs 粒子的質量與新物理的能標差不多，否則理論就不自然了。所以說
自然性要求新的物理現象出現於 1000 gev 左右。
在 1000 gev 會出現什麼樣的新物理呢？這是我們最想知道的事。以電弱對稱破
缺的自然性問題為導引，人們對新物理目前主要有三類猜測。第一，在 1000
gev 能標 higgs 粒子是複合粒子。這就要求存在超強的新相互作用. technicolor
理論是這類物理的代表。第二，新的對稱性保證了小的 higgs 粒子質量。這個
對稱性就是超對稱。它允許存在能標很高的新物理，如在 10^16 gev 的大統一
理論。超對稱引入許多新的基本粒子，它們的質量為 1000 gev 左右。第三，額
外空間維度（extra dimension）。把我們生活的四維時空嵌入高維時空。而這
四維時空的基本能標恰好被高維時空的物理決定在 1000 gev 附近。除去以上三
種可能性，還有一些屬於上述想法的混合，如超對稱 technicolor 和 little
higgs 理論。倒底是哪種猜測正確還是都不對是需要實驗來回答的。
我們再多談一些超對稱粒子物理學。雖然並未得到實驗的證實，在前述幾種猜測
中，超對稱粒子物理受到特別的重視。實驗上的間接證據表明，在 10^16 gev，
三種規範相互作用可能是統一的。這種大統一理論具有內在的簡潔優美，但是如
果沒有超對稱，higgs 粒子的質量應該在大統一標度, 從而其它所有粒子的質量
也都在大統一標度，而不是在電弱標度。超對稱的引入解決了這個問題，把 higgs
粒子的質量穩定於 100 gev 左右。
超對稱是費米子和玻色子之間的對稱性。它預言組成我們物質世界的每一基本粒
子都有其超對稱夥伴粒子存在。超對稱的破缺使得超對稱粒子都很重從而還未被
實驗上看到。尋找超對稱粒子是高能實驗的主要目標。另外，超對稱預言的輕的
higgs 粒子是已有的精確的電弱實驗數據所要求的，其實它在 lep 實驗中已初露
端倪。
超對稱大統一理論受到重視的原因還來自高能天體物理和宇宙學方面。so(10) 大
統一理論通過翹翹板機制可以給中微子極小的質量。它還能解釋宇宙中重子數不
對稱問題。超對稱預言存在我們看不見的穩定的超對稱粒子，這一粒子現今瀰漫
於我們的宇宙，無處不在，形成了占宇宙總量 23% 的暗物質。超對稱性也是量子
引力理論的最佳候選者--超弦理論所必需的。如果超對稱被發現，那將不僅是基
礎物理的一項劃時代的發現，也將是人類文明發展史上的一個里程碑。
正在歐洲核子中心建造的大型強子對撞機 lhc 實驗就是為研究電弱對稱破缺機
制和相關的新物理而設計的。這個研究方向是近幾十年粒子物理學的主流。未來
實驗發現的有可能是與上述猜測完全不同的新物理。無論是什麼，通過 lhc 實
驗，我們對自然的認識將有一個極大的深入。在 lhc 之後，科學家們還在計劃
下一代更高能量的直線電子對撞機，繼續深化我們對自然界的認識。
（本文個別話語參考了一個同事的note）
時 間：2003/08/07 01:31:08
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