标准模型的最新描述：对称性破缺机制及其起源.docx

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1、标准模型的最新描述：对称性破缺机制及其起源 20世纪后期，世界物理学界建立的包括强相互作用、电磁相互作用及弱相互作用的“标准模型”理论，成为粒子物理学的基本理论。2022年诺贝尔物理学奖颁发给美籍日本学者南部阳一郎和日本学者小森诚和益川敏英：他们的探讨成果为粒子物理学的“标准模型”奠基，成为人类对物质最深处的探究的一个新里程碑。 南部阳一郎1921年诞生于日本东京，他1952年获东京高校科学博士学位，后移居美国，前往普林斯顿高校研习，1958年被芝加哥高校聘为教授。南部阳一郎首先把凝合态物理学方法运用于粒子物理学理论，提出了闻名的南部-JonaLasinio模型，并由此获得了被称为诺贝尔奖的前

2、奏的11014/95年度沃尔夫奖。 小林诚1944年诞生于日本名古屋，11012年获得名古屋高校博士学位。他长期致力于基本粒子理论探讨，现任日本筑波高能加速器探讨中心退休名誉教授。益川敏英1940年诞生于日本爱知县。他1962年毕业于名古屋高校并于1967年获得母校的博士学位，现为东京高校汤川理论物理探讨所的退休名誉教授。11013年这两位获奖者共同发表了“CP(电荷共轭镜象反射)对称性破缺”理论的论文，提出“小林一益川理论”，预言存在6种夸克，这篇论文的引用率竟高达4920次。他们共同获得了2022年欧洲物理学会高能与粒子物理奖等多项奖项。 夸克理论和标准模型 构成自然界的基本组元有夸克和轻

3、子；夸克和轻子被认为是物质世界，包括人类自身的最小构成元素。由夸克和轻子作为物质的基本组元而建立的粒子物理标准模型取得了极大的胜利，堪称20世纪物理学最重大的成就之一。 “夸克(quark)”一词是由美国人默里盖尔曼改编自詹姆斯乔斯的小说芬尼根守灵夜中的诗句：“三个夸克才顶得上一个马克”。1962年，他仿佛教八正道提出了粒子分类的“八重法”，把全部粒子归划为简洁有序的族类系统，成为粒子系统的“元素周期表”，1964年建立了关于强子结构的夸克模型，提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元夸克组成的。这位粒子及其相互作用分类的创立者，获1969年物理学奖。 夸克理论认为，全部的重子(如质子、中子

4、)都是由三个夸克组成的，反重子则是由三个相应的反夸克组成的。电子和中微子是最轻的轻子。夸克是具有分数电荷，是电子电量的2/3或-1/3倍。最初说明强相互作用粒子的理论须要三种夸克，分别是上夸克、下夸克和奇异夸克。11014年发觉了J粒子，要求引入第4种夸克粲夸克。11015年发觉了T粒子，要求引入第5种夸克底夸克。11015年美国费米试验室宣布发觉发觉第6种夸克一顶夸克，人们信任这是最终一种夸克。顶、底、奇、粲夸克由于质量太大，很短的时间内就会衰变成上夸克或下夸克。 诺贝尔奖与标准模型 探究微观世界奇妙的粒子物理学创建了夸克理论和标准模型，成为获得诺贝尔物理学奖最多的学科一竟占到全部奖项的四分

5、之一。 英国人狄拉克1928年把爱因斯坦相对论引入量子力学，创立了电子波动方程，1930年提出空穴理论，预言正电子的存在，获1933年奖。 美国人维格纳1928年提出宇称守恒原理，1936年提出中子汲取理论和核力的概念，获1963年奖。 美国人鲍林(1954年化学奖得主)1936年探讨衰变的B能谱，提出中微子假设。 美籍意大利人费米1933年提出原子核B衰变理论，首先描述了弱相互作用，获1933年奖。 日本人汤川秀树依据中国道家思想提出传递核力的介子理论，认为核力是由于核子之间交换某种粒子(介子)而产生的，获1935年奖，。 英国人鲍威尔依据汤川的预言，在宇宙线中发觉了介子的存在，获1950年

6、奖。 美国人施温格、费恩曼和日本人朝永振一郎将量子电动力学中出现的无穷大归并入物理质量和物理电荷中，提出重正化方案，使其爱因斯坦狭义相对论完全符合，获1965年奖。 美国人莱因斯1955年在试验中首次发觉了中微子，证明了鲍林的预言；佩尔11014年发觉了一种比电子重3730倍，带负电的重轻子一t轻子。他们的发觉证明，自然界存在着第三代夸克和轻子，获11015年奖。 美籍华人李政道和杨振宁1956年提出介子和t介子事实上是同一种K介子，并推导出弱相互作用中宇称不守恒定律，获1957年奖。1965年奖得主施温格1957年提出弱相互作用是由光子和两个矢量玻色子传递的。 美籍华人丁肇中和美国人里克特1

7、1014年同时发觉了J粒子，为具有粲(charm)特性的第4种夸克，获11016年奖。 美国人弗里德曼、肯德尔和加拿大人泰勒1968年用电子一质子非弹性散射试验，首次证明了夸克的存在，获11010年奖。 美国人格拉肖、温伯格和巴基斯坦人萨拉姆11010年提出弱电相互作用理论及模型，获11019年奖。他们为实现爱因斯坦设想的自然界中存在的4种基本力(引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力)的统一场理论迈出了重要一步。 荷兰人范德梅尔和意大利人鲁比亚11014年1月用自己设计的高能物理加速器，发觉了传递场粒子wZ，从而最终验证了弱电统一场理论，获11014年奖。 美国人克罗宁和菲奇1964年从长

8、寿命的K介子的衰变试验中发觉CP不守恒的事例，获11010年奖。这个发觉意味着时间反演、物质与反物质在微观过程是不对称的，可以说明宇宙形成极早期粒子生成这个悬而未决的问题。 荷兰人霍夫特11011年证明无质量的规范场的量子化方法，可以干脆推广到有自发破缺机制的状况，这对弱电理论的量子化至关重要；霍夫特与其师韦尔特曼11012年提出弱电统一理论的量子结构，证明弱电统一理论可重正化，从而为建立包括强、弱电相互作用理论的标准模型奠定了基础。师徒二人因此荣膺了11019年奖。 美国人格罗斯、维尔切克和波利策11013年提出粒子相互作用的“渐近自由”理论：强作用力会随夸克彼此距离增大而增大，因此没有夸克

9、可以从原子核里外迁的自由；强作用力会随夸克的距离变小而减弱，这就意味着约束在原子内部的夸克，可以自由的运动。夸克渐近自由的发觉，确立了粒子物理学的标准模型，获2004年奖。 标准模型不是终结 “标准模型”是目前描述粒子之间相互作用的最佳理论。标准模型的主要内容有以下几点：物质的基本组成单元是三代带色夸克和三代轻子，它们之间作用着四种基本相 互作用一强相互作用，电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。除了可以忽视的引力作用外，其他三种作用的媒介场都是规范场。传递强相互作用的是胶子，传递电磁相互作用的是光子，传递弱相互作用的是中间玻色子w+、w-和Z。在现有试验条件下，标准模型能说明粒子世界的主要

10、规律，而且提出了一系列重要预言，有待进一步探究求证。 标准模型是将自然界4种基本力中的3种以及全部物质的基本粒子都统一到一套理论之中，特别胜利的理论，但可能不是粒子物理学的最终理论。 标准模型中至少包括19个待定参数，像粒子的质量、相互作常数及混合角等。这些参数该取多大值，不能从基本原理中推导出来，而必需径由试验数据来确定，这就使理论的简洁性、确定性和预言实力大打折扣，难以其他物理基本理论媲美。此外，标准模型中还有很多有待进一步确认的问题。 标准模型有个致命缺陷，那就是无法说明物质质量的来源。有科学家认为，其中奥妙可能在于自发对称性破缺机制。依据有关理论，在宇宙大爆炸时存在一种处于完全对称状态

11、的“希格斯场”，其中全部粒子都不存在质量。但“希格斯场”就像笔尖直立的铅笔一样并不稳定，随着宇宙渐渐冷却，它的对称性被破坏，一些基本粒子在这一过程中产生不同的质量。谁来解决标准模型的致命缺陷呢?2022年奖的获得者回答了这一问题。 阐明“对称破缺”的真谛 南部阳一郎因发觉亚原子物理学的自发性对称破缺机制而获奖。所谓自发对称性破缺，是指一个物理系统的拉格朗日量(概括整个系统动力状态的函数)具有某种对称性，而基态(系统的最低能阶)却不具有该对称性。他的理论涉及广泛领域，今年9月欧洲核子探讨中心启动“大型强子对撞机”试验，就和自发对称破缺机制亲密相关，其基本理论模型“标准模型”就包括南部的探讨，对撞

12、机试验的主要目的是找寻质量的起源。“真空”并不完全是空的，有人假设其中存在着一种叫玻色子的粒子。依据自发性对称破缺机制真空中有并非玻色子的物质，它和粒子发生作用产生了质量。因此南部的探讨奠定了“对称破缺”理论基础。 什么是“对称破缺”呢?瑞典皇家科学院用一个形象的类比来说明什么是自发对称性破缺：一支以笔尖直立于水平面上的铅笔，可以被看成是完全对称的，任何方向对它来说都没有区分；但假如这支铅笔倒在水平面上，它的对称性就被“打破”了，而它也同时达到了自己的基态或者说最低能阶，此时它的状态最为稳定。诺贝尔奖评委拉斯?布林克用一只一般的橘子深化浅出的说明了这三位科学家的重要成就世界万物并不存在完备的对

13、称，就像看上去对称的橘子在显微镜下会呈现出对称性的偏离。 自发对称性破缺的概念最早出现在凝合态物理中，20世纪60年头被南部阳一郎引入量子场论。他的理论某种程度上揭示出在大自然混乱的表面下所隐藏着的对称性。目前，有关基本粒子物理学标准模型的全部理论中，几乎都渗入了南部的成果。 我们的世界并非以一种完备对称的方式运行，这归因于微观层面上对称性的“偏离”。早在1960年，南部就给出了基础粒子物理中的对称性自发破缺的数学描绘。依据他的有关理论，大自然明显很混乱的表面下隐藏着秩序。目前，有关基本粒子物理学标准模型的全部理论中，几乎都渗入了南部的成果。标准模型将自然界4种基本力中的3种以及组成全部物质的

14、基本粒子都统一到一套理论之中。 南部所探讨的对称性自发破缺与小林、益川所描述的对称性破缺存在不同。这些自发事务看起来在宇宙起先出现就存在，当这一现象1964年首次出现在小林、益川的粒子试验时，人们对此感到特别震惊。小林和益川于11012年在标准模型的框架下，就特定对称性破缺的起源给出了说明。但依据他们的预言，标准模型中必需包括一些当时还未发觉的夸克。他们在标准模型的框架下对对称破缺进行了说明，但是须要将模型扩展至三个夸克家族。他们所预言的这些夸克最近才在物理试验中出现。2001年和2004年，美国斯坦福试验室和日本高能加速器探讨机构的粒子探测器分别独立实现了对称性破缺。“结果与小林、益川30年

15、前的预料一样，”诺贝尔委员会的评语特意点出。 3名物理学家分别在上世纪60年头和73年头通过数学模型“预言”了量子世界自发性对称破缺现象的存在机制和根源。然而，这些预言直到本世纪初才能通过高能粒子试验验证。今年9月11日启动的世界最大强子对撞机探究的粒子世界正是这些科学家的“领地”。南部因发觉亚原子物理学中的自发性对称破缺机制而获奖；小林和益川则因有关对称性破缺起源的发觉而获奖。 对称破缺是量子场论的重要概念，对探究宇宙的本原有重要意义。它包含“自发对称破缺”和“动力学对称破缺”两种情形。 依据已知理论，大约137亿年前，宇宙在“大爆炸”中诞生。之后，夸克、电子等粒子和同样数量质量但电荷相反的

16、反粒子构成物质。粒子和反粒子一旦碰撞，将在释出光后“同归于尽”。因此，假如两者始终并存，宇宙中的物质最终将消逝殆尽，但是，现在的宇宙中只有粒子“幸存”，没有发觉反粒子。 科学家认为，反粒子幸存率不如粒子，是因为除电荷相反外，还存在其他微小的差异，这种粒子和反粒子的性质差异被称为“自发对称破缺”，它的机制是亚原子物理学的一大谜团。因此，南部对自发性对称破机制的探讨奠定了亚原子物理学的“标准理论”基础。对称破缺产生根源是什么昵?小林和益川11012年发表论文，说明了对称破缺的起源。 预言六种夸克的存在 南部对自发性对称破缺机制的探讨奠定了亚原子物理学的“标准理论”基础。 “早在1960年，南部阳就

17、阐明白基本粒子物理中自发对称破缺的数学描述。”瑞典皇家科学院在授奖评语写道，“自发对称破缺机制隐藏着表面上杂乱无序的自然秩序。它被证明极其有用，南部的理论奠定了基本粒子物理学的标准模型。这一模型融合了全部物质最微小的组成部分，使4种自然力气即电磁力、强核力、弱核力和引力中的3种在同一理论中得到说明。” 小林和益川的贡献体现在他们“在标准模型的框架内说明了对称破缺机制”，并据此“预言”了3种夸克的存在。他们早在11013年就提出了“小林一益川理论”，认为造成宇宙中粒子多于反粒子的缘由是夸克的反应衰变速率不同。他们还预言存在6种夸克。另外3种夸克分别发觉于11014、11017和11015年。 在

18、小林和益川提出预言之初，科学家只发觉了3种夸克，因此始终难以证明他们的理论。11015年，6种夸克都被发觉。2001年，日 本和美国科学家确认了由夸克构成的正反粒子B介子和反B介子的“CP对称性破缺”现象，从而证明白“小林一益川理论”。现在，“小林-益川理论”已得到全球基本粒子物理学家的普遍认可。 授奖评语说，自发对称破缺好像早在宇宙诞生时就存在，但直到小林和益川于1964年通过粒子试验才向世人证明了这一“神奇存在”。“小林一益川理论”也因此成为支撑亚原子物理学标准理论的重要支柱。 探究物质世界存在之谜 现代物理学理论认为，宇宙大爆炸时应产生同等数量的粒子，二者相遇会湮灭，同时释放能量。假如真

19、如此，完全的物质世界、包括人类自身都将不会存在。 物质为何会多出反物质?对称性破缺是背后的关键缘由。据测算，宇宙中物质粒子的数量只要比反物质粒子多出一百零一亿分之一，就足以形成我们今日的物质世界。但为什么会出现这种对称性的微小“偏离”，始终是科学家未能揭开的一个重大谜团。三位获奖者提出的有关理论，为说明宇宙的构成供应了重要线索。 到目前为止，人们仍无法说明一种同类型的对称破称，它是140亿年前宇宙大爆炸时宇宙起源的幕后力气。假如宇宙大爆炸产生了相同的物质和反物质，它应当相互抵消，但这并没有发生，每101亿个反物质粒子就有一个额外的物质粒子发生了微小的偏移。这种对称破缺可能是使我们宇宙得以幸存的

20、缘由。这原委是如何发生的仍待探究，或许日内瓦的欧洲核子探讨中心的新型粒子加速器将帮助解开这个谜。 标准模型永不终结 几乎四分之一的诺贝尔奖的探讨成果都与粒子物理学标准模型相关。然而标准模型还有很多进一步确认的和尚待探明的问题。例如： 希格斯粒子是否存在?1964年，美国学者希格斯提出用自发破损机制使矢量玻色子获得质量。尽管希格斯机制是挽救弱电统一理论的关键，然而这个理论所预言的“希格斯粒子”至今还没有找到。或许这就是为什么这位希格斯机制创立者为什么至今还没获诺贝尔奖的缘由吧! 中微子质量否为零?日本神岗的物理学家已于本世纪初宣布探测到表明中微子质量不等于零的中微子振荡现象，但还需最终确认。假如

21、中微子质量不是“零”，那么仅从弱相互作用宇称不守恒就推不出存在右旋中微子的结论，理论上必需作出相应的修正才能说明为什么观测不到右旋中微子。谁能解决右旋中微子这个难题呢?这个才智者必定获诺贝尔奖。 CP破坏的根源是什么?在强相互作用方面，虽然从表面上看，有了量子色动力学就可以说明夸克的相互作用过程了，但是事实上问题不那么简洁。比如我们知道，夸克总是呆在强子里面，不能独立存在，所以强子里面的任一个夸克在与外面的其他粒子发生相互作用时，强子里面别的夸克不会一点也不受影响。而恰恰对于这一块，目前还没有好的方法去精确处理。这个精确处理者，必将荣获诺贝尔奖。 所以，标准模型的建立并不说明粒子物理的探讨任务

22、已基本完成，前面还有很多领域等着人们去开拓，比如： 沿着找寻构成物质量基本组分的探讨思路，对于标准模型中的25种粒子(6种轻子，6种夸克，1种光子，3种中间玻色子，8种胶子和1种希格斯粒子)，我们能在更基本组分和更基本过程中统一描述它们的性质吗还存在其他粒子和相互作用吗? 电与磁是统一的；电磁与弱力是统一的；那么，弱电磁、强相互作用是否也是统一的? 根据现有的量子场论，引力是无法量子化的，如何发呈现有的量子场论以实现引力气子化?目前，理论物理学家的确在尝试统一四种基本相互作用形式来实现引力的量子化，但离实现这个目标还有很大差距。 视察到的天体都是由粒子组成的吗?宇宙中是否存在由反粒子组成的天体?宇宙中暗物质是由什么构成的?它与标准模型中的粒子有什么关系吗? “宇宙无限大，粒子无穷小，时间无限长。”人类对时空领域的探究将永无止境，永不停息! 第13页 共13页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页