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大自然暗藏的韵律

时间:2022-02-13 理论教育 版权反馈
【摘要】:按照粒子物理的标准模型,是由于希格斯粒子产生所谓对称性自发破缺,使得所有的基本粒子中的费米子获得质量。换言之,中微子的质量来自于希格斯粒子。科学家相信,自然界应该存在一种粒子叫希格斯粒子,自旋为零。所谓自发破缺就是希格斯粒子在起作用,因此自发破缺的方式又称希格斯机制。2013年3月欧洲核子中心的科学家正式宣布发现了希格斯粒子。实际上它们构成除夸克和轻子之外的基本粒子的第三个大家族。

中微子的质量从何而来?按照粒子物理的标准模型,是由于希格斯粒子产生所谓对称性自发破缺,使得所有的基本粒子中的费米子(夸克、轻子)获得质量。我们当然不会忘记,中微子正是轻子中的成员。这样我们就将中微子与希格斯粒子拉上了关系。换言之,中微子的质量来自于希格斯粒子。何谓标准模型?

20世纪对于极微世界的探索硕果累累。我们在新世纪伊始回首前进的历程,感到无限幸福的是人类终于发现渗透于大自然中的节拍与韵律——各种对称性。正是在这些节拍与韵律中,我们的宇宙、宏观世界、微观世界各自展现其无限的风姿和魅力。尤其是,始于爱因斯坦对于局域变换对称的追求,继之于由杨振宁等高高举起火炬,逐渐发现和充实的杨米尔斯局域规范理论,终于成为理解和认识极微世界的标准理论。这是响彻极微世界的黄钟大吕般主旋律。20世纪粒子物理的研究精华都在所谓标准模型。

作为20世纪高能物理成就的顶峰与代表,所谓标准模型就是SUc(3)SU(2)×UU(1)局域规范对称理论。其中SUc(3就是前面讲的精确对称的色SUc(3局域规范对称,这里3代表的是夸克的三原色,是对称性基本表示。它描述夸克之间的强相互作用,又称量子色动力学(QCD)。QCD中有8个有色(复色)胶子。

20世纪粒子物理的成就集中在所谓标准模型

SU(2)U(1)则是味局域规范对称性,这里2代表弱同位旋二重是,夸克和轻子三代中的每一代都是弱旋二重态。味规范对称SU(2)U(1)不是精确对称的,经过自发破缺以后,其规范粒子有W、W、Z0获得质量,而另一个光子依然保持无静止质量。味规范对称性SU(2)U(1)又称味动力学,描述夸克与轻子的弱电相互作用,因此又称温伯格一萨拉姆弱电统一理论。

这里的群论符号,穷究其含义不是我们的任务。但也稍加说明,表示两个对称性(群)直乘,在物理上意味着耦合。因此强规范对称性与弱规范对称性还有一定“混合”并非完全各自独立的,我们就不深谈了。总之我们记得,基本粒子的相互作用,是遵从一种特殊的(即SUc(3)SU(2)×U(1))规范对称性。

这里出现了一个难题,按规范对称性的要求,所有粒子的静质量应该为0。那么我们周围的物质世界的质量是从何而来呢?就是自发破缺机制。这种机制既保持了规范对称性不变,用科学家的话来说,用一种隐藏的方法将对称性保持下来了,同时又在这种隐藏中使得夸克和轻子获得质量。科学家相信,自然界应该存在一种粒子叫希格斯粒子,自旋为零。所谓自发破缺就是希格斯粒子在起作用,因此自发破缺的方式又称希格斯机制。2012年科学家宣称:可以有很大的把握说,已经发现这种粒子了。用术语来说,就是99.9999%的可能性。之所以没有说正式发现,是由于科学家们的谨慎,认为还要积累数据才能正式宣布。我们后面还要比较详细地介绍什么叫对称性自发破缺和希格斯粒子。2013年3月欧洲核子中心的科学家正式宣布发现了希格斯粒子。

在标准模型中,共有12个杨——米尔斯规范玻色子:光子、W+W-、Z0与8个胶子。前4个玻色子与8个胶子各自属于小家族,但是又同属一个有血缘关系(“耦合”形成的)的大家庭。实际上它们构成除夸克和轻子之外的基本粒子的第三个大家族。除光子外,其他规范粒子都有相应的反粒子。规范粒子的任务就是传递实物粒子之间的相互作用。这也是一个相当古怪的大家族,有的静质量为零,有的则几乎为中子的100倍;有的极易观察,到处抛头露面(如光子),有的则永远深锁于强子之内(如胶子)不见天日。我们的世界真是丰富多彩,无奇不有啊!

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