超出标准模型

超出粒子物理标准模型的企图统一四种相互作用的模型

超出标准模型，超出粒子物理标准模型的企图统一四种相互作用的模型。

解释

描述微观粒子基本相互作用的粒子物理标准模型包含两个部分：描述强相互作用的量子色动力学(QCD)和描述电磁相互作用及弱相互作用的电弱统一理论。

QCD是夸克的颜色自由度的SU(3)规范相互作用理论，由胶子传递强作用。已有大量实验结果支持此理论。电弱统一理论是夸克的味道自由度的SU(2)×U(1)规范理论，由光子传递电磁作用、W±和Z0玻色子传递弱作用。实验测得W±和Z0具有质量。此理论遇到较复杂的问题。若假设理论具有完全的SU(2)×U(1)对称性，则理论是可重正化的，可准到任意阶微扰的计算，但理论中W±和Z0的质量为零，与实验矛盾。

若理论的拉氏量（运动方程）中加入W±和Z0的质量项，则破坏SU(2)×U(1)对称性，破坏理论的可重正化性，使高阶微扰计算中出现无法控制的无穷大。解决这个矛盾的可能方案是在拉氏量中加入新的物理内容，并保持其SU(2)×U(1)规范对称性（可重正化），但由它确定的真空态（最低能量态）不具有SU(2)×U(1)对称性，从而使物理上观测到的W±和Z0具有质量。这常称为对称性自发破缺。对称性自发破缺现象在QCD和凝聚态物理中都有先例。标准模型中所有粒子的质量都是通过这种机制产生的。

因此，这种机制涉及一切质量的起源，这是物理学中一个非常基本而深刻的问题。粒子物理标准模型的具体做法是在拉氏量中引入一个称为黑格斯场的标量场，并设它的自作用形式可导致电弱对称性的自发破缺。黑格斯场激发出的中性标量粒子称为黑格斯粒子或黑格斯玻色子，从实验上探测到这种粒子的信息是检验此理论的关键。迄今大量实验支持电弱统一理论中的SU(2)×U(1)规范作用部分，但一直未找到黑格斯玻色子，实验确定黑格斯玻色子的质量限是大于114.3吉电子伏。此外还发现，引入基本黑格斯场会给标准模型带来理论缺陷。

仔细研究标准模型的高阶修正后，发现若假定标准模型适用于全能量范围，则黑格斯场的有效自作用强度实际为零，从而不可能产生对称自发破缺。这意味着标准模型实际上只在某个能标Λ以下才适用，超过Λ后必有新物理规律起作用。一个自然的能标Λ是引力变得重要时的普朗克能标。但若Λ为普朗克能标，则要求标准模型中的参量要准确到34位数才能得到符合实验的W玻色子质量。这种要求在物理学中是无法实现的。可见标准模型并不完善，需要寻找更好的新物理理论。

分类

人们设想了许多Λ能标以上的新物理模型。它们大致可分成两类。

①保留标准模型的现有结构，引入新对称性和新粒子来抵消黑格斯场所带来的缺陷。最流行的是最小超对称模型。此模型设想拉氏量具有超对称性（费米–玻色对称性），因而每个现有的粒子都有一个与它自旋相差1/2的超对称伙伴。由黑格斯的超对称伙伴来抵消上述缺陷。实验上现在还没有发现超对称伙伴，所以超对称伙伴只能很重，即超对称性是破缺的。这样上述缺陷的抵消就不是完全的。剩余缺陷必须小到不严重的程度此模型才可被接受。这就要求超对称伙伴的质量不超过1太电子伏，即此模型的Λ约为1太电子伏。此外，这理论中有5个可观测的黑格斯玻色子，其中最轻的质量不超过135吉电子伏。

②改造标准模型的结构，放弃基本黑格斯场而引入新的强相互作用造成动力学的电弱对称破缺（借鉴于QCD和超导理论）。这样就彻底消除了基本黑格斯场引起的缺陷。多数此类模型中不含有轻的黑格斯玻色子，也有的含有轻的复合黑格斯玻色子。要能自然地得到正确的W±、Z0玻色子质量，这种新强相互作用的能标Λ也应在1太电子伏左右。欧洲核子研究中心的新对撞机LHC和未来的正负电子直线对撞机的探测能力都能达到1太电子伏范围，因此上述所有模型不久即可受到检验。也有可能在新对撞机上会发现未想到的新现象。未来新对撞机上的实验是认识基本相互作用规律的关键，可能会产生认识上的新突破。

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