当代粒子物理学（草稿）
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粒子物理学是研究基本粒子极其相互作用的学科。它是狭义相对论和量子力学结
合的结果，也叫量子场论。由于涉及相对论性能量高的粒子，所以又称为高能物
理。基本粒子是目前人们知道的（即在 100 gev 能量尺度以下）构成物质的最
基本的单元，比如电子，夸克等。除了万有引力，它们的相互作用有三种：电磁
相互作用，弱相互作用和强相互作用。目前人们已经发现了描述这些相互作用的
理论：su(3)xsu(2)xu(1) 规范对称场论。它被称为粒子物理学的标准模型，其
中 su(3) 描述夸克间的强相互作用，su(2)xu(1) 是电磁与弱相互作用的统一理
论。标准模型的建立是二十世纪物理学的最大成就。它几乎与目前所有的物理实
验，包括欧洲核子中心的 lep 实验和美国费米实验室的 tevatron 实验，相符
合。
但是这个标准模型不会是所谓最终理论。比如它虽然可以容纳不同质量的费米子
（如电子，mu-子，tau-轻子等），但是它不能给出这些不同质量的起源。目前
的中微子振荡观测意味着中微子有极小的质量。这也是需要对标准模型做一些修
改后才能描述的。特别地，lep 实验间接表明可能在极高能量标度（10^16 gev），
上述三种相互作用是统一的。这都说明进一步的实验和理论研究是必须的。
标准模型的最主要的理论问题是电弱对称自发破缺的自然性问题。电弱统一理论
引入了标量粒子-- higgs 粒子。这种粒子的质量决定了电弱对称破缺的能量标
度。因此，它的质量应该是 100 gev 左右。可是从量子力学的角度我们预期这
种标量粒子的质量应与下一个超出标准模型的新物理出现的能标相关。量子效应
会使 higgs 粒子的质量与新物理的能标差不多，否则理论就不自然了。所以说
自然性要求新的物理现象出现于 1000 gev 左右。
在 1000 gev 会出现什么样的新物理呢？这是我们最想知道的事。以电弱对称破
缺的自然性问题为导引，人们对新物理目前主要有三类猜测。第一，在 1000
gev 能标 higgs 粒子是复合粒子。这就要求存在超强的新相互作用. technicolor
理论是这类物理的代表。第二，新的对称性保证了小的 higgs 粒子质量。这个
对称性就是超对称。它允许存在能标很高的新物理，如在 10^16 gev 的大统一
理论。超对称引入许多新的基本粒子，它们的质量为 1000 gev 左右。第三，额
外空间维度（extra dimension）。把我们生活的四维时空嵌入高维时空。而这
四维时空的基本能标恰好被高维时空的物理决定在 1000 gev 附近。除去以上三
种可能性，还有一些属于上述想法的混合，如超对称 technicolor 和 little
higgs 理论。倒底是哪种猜测正确还是都不对是需要实验来回答的。
我们再多谈一些超对称粒子物理学。虽然并未得到实验的证实，在前述几种猜测
中，超对称粒子物理受到特别的重视。实验上的间接证据表明，在 10^16 gev，
三种规范相互作用可能是统一的。这种大统一理论具有内在的简洁优美，但是如
果没有超对称，higgs 粒子的质量应该在大统一标度, 从而其它所有粒子的质量
也都在大统一标度，而不是在电弱标度。超对称的引入解决了这个问题，把 higgs
粒子的质量稳定于 100 gev 左右。
超对称是费米子和玻色子之间的对称性。它预言组成我们物质世界的每一基本粒
子都有其超对称伙伴粒子存在。超对称的破缺使得超对称粒子都很重从而还未被
实验上看到。寻找超对称粒子是高能实验的主要目标。另外，超对称预言的轻的
higgs 粒子是已有的精确的电弱实验数据所要求的，其实它在 lep 实验中已初露
端倪。
超对称大统一理论受到重视的原因还来自高能天体物理和宇宙学方面。so(10) 大
统一理论通过翘翘板机制可以给中微子极小的质量。它还能解释宇宙中重子数不
对称问题。超对称预言存在我们看不见的稳定的超对称粒子，这一粒子现今弥漫
于我们的宇宙，无处不在，形成了占宇宙总量 23% 的暗物质。超对称性也是量子
引力理论的最佳候选者--超弦理论所必需的。如果超对称被发现，那将不仅是基
础物理的一项划时代的发现，也将是人类文明发展史上的一个里程碑。
正在欧洲核子中心建造的大型强子对撞机 lhc 实验就是为研究电弱对称破缺机
制和相关的新物理而设计的。这个研究方向是近几十年粒子物理学的主流。未来
实验发现的有可能是与上述猜测完全不同的新物理。无论是什么，通过 lhc 实
验，我们对自然的认识将有一个极大的深入。在 lhc 之后，科学家们还在计划
下一代更高能量的直线电子对撞机，继续深化我们对自然界的认识。
（本文个别话语参考了一个同事的note）
时 间：2003/08/07 01:31:08
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