标准模型论

编辑:孬种网互动百科 时间:2019-12-13 20:32:00
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粒子物理学的标准模型是一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。它隶属量子场论的范畴,并与量子力学及狭义相对论相容。到目前为止,几乎所有对以上三种力的实验的结果都合乎这套理论的预测。但是标准模型还不是一套万有理论,主要是因为它并没有描述到重力。

标准模型论模型的内容

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标准模型包含费米子及玻色子——费米子为拥有半整数的自旋并遵守庖利不相容原理(这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态)的粒子;玻色子则拥有整数自旋而并不遵守庖利不相容原理。简单来说,费米子就是组成物质的粒子而玻色子则负责传递各种作用力。
电弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合并为一。这些理论都是规范场论,即它们把费米子跟玻色子(即力的中介者)配对起来,以描述费米子之间的力。由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变,所以这些中介玻色子就被称为规范玻色子。标准模型所包含的玻色子有:
*胶子-强相互作用的媒介粒子,自旋为1,有8种
*光子-电磁相互作用的媒介粒子,自旋为1,只有1种
*W及Z玻色子-弱相互作用的媒介粒子,自旋为1,有3种
*希格斯粒子-引导规范组的自发对称性破缺,亦是惯性质量的源头。
实际上规范玻色子的规范变换是可以准确地利用一个称为“规范群”的酉群去描述。强相互作用的规范群是SU(3),而电弱作用的规范群是SU(2)×U(1)。所以标准模型亦被称为SU(3)×SU(2)×U(1)。
在众玻色子中,只有希格斯玻色子不是规范玻色子。而负责传递引力相互作用的玻色子——引力子则未能被包括入标准模型之中。
标准模型包含了十二种“味道”(Flavor)的费米子。组成大部份物质三种粒子:质子、中子及电子,当中只有电子是这套理论的基本粒子。质子和中子只是由更基本的夸克,受强作用力吸引而组成。

标准模型论标准模型的基本费米子

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标准模型中的左旋费米子费米子符号电磁荷弱荷*弱同自旋(Weakisospin)超荷强荷(色荷)*质量**

标准模型论第一代

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左旋电子e-12-1/2-1/210.511MeV
左旋电子中微子νe02+1/2-1/21<50eV
左旋正子ec110110.511MeV
左旋电子反中微子\nu_e^c01001<50eV
左旋上夸克u+2/32+1/2+1/63~5MeV***
左旋下夸克d-1/32-1/2+1/63~10MeV***
左旋反上夸克uc-2/310-2/3\bar~5MeV***
左旋反下夸克dc+1/310+1/3\bar~10MeV***

标准模型论第二代

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左旋μ子μ-12-1/2-1/21105.6MeV
左旋μ子中微子νμ02+1/2-1/21<0.5MeV
左旋反μ子μc11011105.6MeV
左旋μ子反中微子\nu_\mu^c01001<0.5MeV
左旋魅夸克c+2/32+1/2+1/63~1.5GeV
左旋奇夸克s-1/32-1/2+1/63~100MeV
左旋反魅夸克 cc -2/3 1 0 -2/3 \bar ~1.5 GeV
左旋反奇夸克 sc +1/3 1 0 +1/3 \bar ~100 MeV

标准模型论第三代

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左旋τ子 τ -1 2 -1/2 -1/2 1 1.784 GeV
左旋τ子中微子 ντ 0 2 +1/2 -1/2 1 < 70 MeV
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 < 70 MeV
左旋顶夸克 t +2/3 2 +1/2 +1/6 3 178 GeV
左旋底夸克 b -1/3 2 -1/2 +1/6 3 ~4.7 GeV
左旋反顶夸克 tc -2/3 1 0 -2/3 \bar 178 GeV
左旋反底夸克 bc +1/3 1 0 +1/3 \bar ~4.7 GeV
这些不是一般的阿贝尔电荷 (Abelian charges), 而是李群 (Lie group) 之群表达式 (group representation) 标签。它们不能相加。
质量实为左旋及右旋费米子的耦合 (Coupling)。例如电子之质量实为一左旋电子及一右旋电子 (左旋正子之反粒子) 之耦合。另外, 中微子在它们的质量耦合中因有大量混合, 故不能准确以味道或 (此表似乎显示出的) 左右旋中微子质量等同来得出中微子之质量。
正式量得的实为重子 (Baryon)、强子 (Hadron) 及其他交比 (Cross section rates) 之质量。因量子色动力学之色禁闭 (QCD Confinement) 使夸克不能独立存在, 这里显示的数值为夸克于量子色动力学相移重整化 (QCD Phase Transition Renormalization) 后的值。为了计算此值, 物理学家建立了一个格点模型 (Lattice model) 并尝试给予夸克不同的质量值, 直至接近于实验数据为止。由于第一代的夸克质量远低于量子色动力学所需的大小, 故其不确定性是很大的。事实上, 现今的量子色动力学的格点模型给出的夸克质量似乎比上表还小。
费米子可以分为三个“世代”。第一代包括电子、上及下夸克及电子中微子。所有普通物质都是由这一代的粒子所组成;第二及第三代粒子只能在高能量实验中制造出来,而且会在短时间内衰变成第一代粒子。把这些粒子排列成三代是因为每一代的四种粒子与另一代相对应的四种粒子的性质几乎一样,唯一的分别就是它们的质量。例如,电子跟μ子的自旋皆为半整数而电荷同样是-1,但μ子的质量大约是电子的二百倍。
电子与电子中微子,以及在第二、三代中相对应的粒子,被统称为轻子。它们与其他费米子不同处在于它们没有一种叫“色”的性质,所以它们的作用力(弱力、电磁力)会随距离增加变得越来越弱。相反,夸克间的强力会随距离增加而增强,所以夸克永远只会在色荷为零的组合中出现,这些不同的组合被统称为“强子”。
强子有两种:由三颗夸克组成的费米子,即重子(如质子及中子);以及由夸克-反夸克对所组成的玻色子,即介子(如π介子)。

标准模型论测试及预测

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在W玻色子、Z玻色子、胶子、顶夸克及魅夸克未被发现前,标准模型已经预测到它们的存在,而且对它们性质的估计非常精确。
CERN的大型电子-正子对撞机测试并确定标准模型有关Z玻色子衰变的预测。

标准模型论标准模型的扩展

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虽然标准模型对实验结果的解释很成功,但它也有很大的缺陷。首先,模型中包含了许多参数,如各粒子的质量和各相互作用强度。这些数字不能只从计算中得出,而必须由实验决定。其次,理论所预测的希格斯玻色子到现时为止仍未被发现。弱电对称破缺还没有满意的解释。再次,理论中存在所谓的自然性问题。最后,这理论未能描述引力。
首个与标准模型不相乎的实验结果在1998年出现:日本超级神冈中微子探测器发表有关中微子振荡的结果,显示中微子拥有非零质量。标准模型的简单修正(引如非零质量的中微子)可以解释这个实验结果。这个新的模型仍叫做标准模型
大统一理论是标准模型的一个扩展。它假设SU(3)、SU(2)及U(1)群其实是一个更大的对称群的成员。只有在高能状态(比现时实验能达到的能量还要高)这个对称性才能保存;在低能状态,它自发破缺到SU(3)×SU(2)×U(1)。第一个大统一理论(SU(5)大统一)是由Georgi及Glashow于 1974年提出的。其它流行的还有SO(10)和E(6)大统一模型。
解决自然性问题的主要方案包括technicolor模型,超对称模型,额外空间维度等等。超弦模型则是描写包括引力在内所有基本现象的终级理论的最主要代表。
许多标准模型的扩展都预言了质子衰变。这一现象至今没有为实验所证实。
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科技 理学