粒子标准模型正确吗

粒子物理标准模型

作为现代物理学的最高成就，粒子物理标准模型无疑取得了巨大的成功。在当今世界各种粒子加速器中，粒子之间的碰撞行为都在标准模型的预测之中。粒子加速器越强大，实验值和理论值越接近。

那么，什么是粒子物理标准模型？这套理论是如何创立的？它有多强大？

在自然界中，无论力的作用是怎样的，从根本上都可以归咎为四种基本力：主宰天体的引力、主宰带电粒子的电磁力、主宰原子核的强核力和弱核力。

这四大基本力都有各自的理论进行描述，例如，引力由广义相对论来描述，电磁力由麦克斯韦电磁场方程组来描述。但包括爱因斯坦在内的物理学家认为，四大基本力在本质上是统一的，可以由同一个理论来描述。但纵然是爱因斯坦，他终其一生也没能完成大统一理论。

爱因斯坦想要统一引力和电磁力，始终没有成功。后来的物理学家从其他角度入手，大统一理论开始有了起色。

杨振宁建立了杨米尔斯理论，这为后来的电磁力和弱核力统一奠定基础。电弱统一之后，强核力通过量子场论被统一起来。最终，物理学家得到了统一电磁力、弱核力和强核力的粒子物理标准模型。正因为如此，杨振宁在史上最伟大的物理学家中可以排到前20名，他对现代物理学的贡献无疑是巨大的。

一个好的理论不仅能够准确描述已有的现象，而且还能预言未知的东西。标准模型预言，物体质量一部分源自于希格斯玻色子，这个粒子最终在大型强子对撞机中被发现。在标准模型中，总共存在着61种基本粒子，它们决定了这个世界的构成。

尽管标准模型大获成功，但它存在巨大的缺陷，这个理论不可能是物理学家追求的终极大统一理论，这是为什么呢？

原因在于引力还没有被量子化，或者说描述引力的广义相对论和量子力学无法统一。无论是广义相对论，还是量子力学，它们在各自范围内都是成功的理论，但它们之间就是无法兼容。大统一理论必然是涵盖了四大基本力，广义相对论、粒子物理标准模型都只是大统一理论的近似。

那么，大统一理论究竟是怎样的呢？

在弦理论中，标准模型所认为的基本粒子并不基本，它们都是由尺寸极小的一维弦构成。一维弦具有不同的振动方式，从而表现出不同的性质，这成了我们所观测到的各种粒子。

但遗憾的是，目前并没有实验证据能够支持弦理论，这个理论还只是一个十分高深的数学游戏。因为弦理论所涉及的尺度太小，只有更高的能量才有可能敲开粒子的更深次结构，目前的粒子极速器都无法达到。

之前速说量子中提到过在目前标准粒子模型中物质的最基本单元是夸克然后加上各种玻色子共同构成了我们常见的物质以及它们相互之间的作用力但是这中间唯独不包含引力

答：所谓“标准”，就是企图以“一”，来完成“描述万物”的重任。

当然，这种“走向一般化”的思路，对数学家对物理学家而言，本身也正是职业价值所在；

并且，也不是完全做不到。

比如我们的计算机，就几乎用二进制完成了描述纷繁世界的伟大任务！

但需要向我们的（企图以“一”来“描述万物”的）物理学家和数学家强调的却是：

“一”之上的“规则”，从来是多样的；

正因为“一”之上的多样规则，才建构出了我们这个（从物质形态到生命形态都）多姿多彩的世界。

事实上，当前的物理学，如果不能说它不具备这种建构多样规则的能力的话，

也至少能够说它还没有尝试这样去做、还没开始，甚至许多前沿科学家对这一点仍然毫无意识。

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设想一下，每天的电视上面，都在播出浑然一种模式下、工业流水拷贝而来的电视剧 的情况；

第一真实人们都生活总不致如此乏味，第二观众肯定也看不下去。

电视剧背后的剧本、小说，其实跟物理学非常相像：它们一定程度上，都在企图以想象来完成建构世界的任务。

如果说它两者（电视剧本小说与物理学两者）之间有什么本质区别的话，那也许在物理学比起文学来、在想象力上面的表现还要“略逊一筹”呢。

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绝不能因为物理学与数学走得更近、拥抱了数学，而去妥协接受它比文学平庸的想象力；

相反，应当为物理学对规则的多样建构，提供足够的社会认识进而舆论空间，促成这样一种道路的开始、让这样一种理论得到孕育，并有一天能够横空出世。

因为物理学不单是理论，它一方面能够指导实践，另一方面它无疑还是种深刻的哲学（能够影响到社会管理领域大量的思想家）。

无论是水、石头等非生物，或者植物、人等生物，还是行星、恒星等天体，这些物体都是由标准模型中的的几种基本粒子组成——夸克、轻子和玻色子。夸克和轻子结合在一起形成质子和中子，由此又构成了原子、分子，乃至宏观物体，这些都能被粒子物理标准模型准确描述。

不过，中微子是个例外。这种粒子的行为十分怪异和独特，它们不同于其他任何粒子，它们是唯一不能单独用标准模型来解释的的标准模型粒子。

粒子的性质

对于一种粒子，它们会有一些本质上明确的性质，包括：质量、电荷、自旋（内禀角动量）、弱超荷、色荷、重子数、轻子数以及轻子族数。

以电子为例，这是一种带电的轻子，其质量和电荷的值是非常精确的，这些值对于宇宙中的每一个电子都是一样的。电子的其他值可能是零，例如，色荷和重子数。而其他非零值能够告诉我们有关电子的一些额外信息，例如，电子的自旋可以是+1/2或-1/2，这能表明自由度。

正因为如此，如果把一个电子和一个质子结合起来，电子的自旋和质子的自旋有50%的几率是正向排列，有50%的几率是反向排列。一个电子的自旋，相对于所选择的任何轴（x, y, z，电子的运动方向）是完全随机的。

正如电子一样，中微子也是轻子。虽然中微子不带电荷，但它们也都有自己的量子数。就像电子有反物质（正电子）一样，中微子也有反物质——反中微子。中微子有三味，分别是电子中微子、μ中微子和τ中微子，并且还有对应三种反中微子。尽管泡利早在1930年就已经首次提出了中微子理论，但直到20多年后，物理学家才首次发现了中微子，而且那次发现其实还涉及到核反应堆产生的反中微子。

与众不同的中微子

根据中微子相互作用所产生粒子的性质，物理学家可以重建所观测到的中微子和反中微子的各种性质。其中一个性质与众不同，它与标准模型中的其他所有费米子都不一致：自旋。

对于标准模型中的夸克和轻子，它们的自旋都有50%的几率为+1/2或-1/2，但中微子却是例外。无论是中微子，还是反中微子，它们的自旋都是受限制的。

假设产生一对粒子/反粒子对，无论是电子/反电子对，还是两个光子（诸如光子这样的玻色子，它们是自己的反粒子），它们的自旋可以是+1/2或-1/2，不会受到限制。然而，中微子/反中微子对却会变得很奇怪。

物理学家所探测到的中微子和反中微子都具有极高的能量，这意味着它们的运动速度非常接近光速，使得无法在实验上测出它们与光速的区别。另外，所有的中微子都是“左撇子”，自旋为+1/2；所有反中微子都是“右撇子”，自旋为-1/2。物理学家没有观测到右旋中微子，也没有观测到左旋反中微子。

中微子的质量

在上个世纪很长一段时间里，中微子都被认为是一种不寻常的东西，因为物理学家认为它们完全没有质量。粒子加速器、太阳以及宇宙射线与地球大气层碰撞都会产生中微子，这一系列实验和观测揭示了难以捉摸的中微子的一个奇特性质。

实验表明，中微子或反中微子有一定概率会振荡成另一味中微子，这就是中微子振荡。这种现象发生的可能性取决于许多目前还不清楚的因素，但有一点是肯定的，只有当中微子具有质量时，这种行为才有可能发生。虽然中微子可能非常轻，但质量一定是非零的。

但遗憾的是，物理学家目前还不清楚中微子的确切质量是多少。从中微子振荡的数据中可以确定，三味中微子中至少有一味的质量不小于0.06电子伏特。另一方面，从宇宙微波背景和重子声学振荡的数据来看，三种中微子的质量小于0.17电子伏特。

中微子的最大谜团

但这会引发一个更大的问题：如果中微子和反中微子都有质量，那么，只要减慢和加快中微子的速度（如果没有质量只能以光速运动），就应该有可能把一个左旋中微子变成一个右旋粒子。

既然所有的中微子都是左旋的，而所有的反中微子都是右旋的，这是否意味着我们可以通过改变视角把一个左旋中微子变成一个右旋的反中微子呢？或者这意味着右旋中微子和左旋反中微子是存在的，但远超我们目前的探测能力？

解开这些问题可以打开一扇新的物理学大门，这或许还有助于揭开另一大宇宙谜团——为什么宇宙是由物质而不是反物质构成。根据宇宙大爆炸理论，在宇宙诞生1秒时，产生了大量的中微子和反中微子。这些粒子至今还在宇宙中穿行，宇宙中微子背景辐射也许是研究中微子的关键所在。但在目前，中微子仍然是粒子物理标准模型中的最大谜团。

据New Atlas报道， 经过长达10年的分析，物理学家们的合作项目对一个关键粒子的质量进行了最精确的测量。 新的测量结果与基于标准模型的预测大不相同，暗示了新的物理学。

自从20世纪70年代开发以来，粒子物理学的标准模型在解释粒子的相互作用和大多数基本力量方面一直非常成功。它并没有涵盖一切--主要的缺失部分包括暗物质甚至是引力--但是它所涵盖的内容非常好，始终经得起测试其预测的实验。

但是现在，一种经过充分研究的粒子可能会威胁到这种标准模型。粒子的质量可以通过它们与标准模型中其他粒子的关系来计算，然后这种预测的质量可以与粒子对撞机中的实际测量结果进行比较，以测试标准模型的内部一致性。这个过程现在导致了一个重大的差异，这要归功于一个叫做W玻色子的不起眼的粒子。

W玻色子是携带弱力的基本粒子，调解像太阳中工作的那些核过程。根据标准模型，它们的质量与希格斯玻色子和一个叫做顶夸克的亚原子粒子的质量有关。在一项新研究中，美国能源部费米实验室对撞机探测器（CDF）合作的近400名科学家花了十年时间研究了从 Tevatron对撞机26年的数据中收集的420万个W玻色子候选者。从这个宝库中，该团队能够将W玻色子的质量计算到0.01%以内，使其比之前的最佳测量结果精确了一倍。

根据他们的计算，W玻色子的最新质量测量的中心值和不确定度为80433 9MeV/c2。这在以前的一些测量范围内，但远远超出了标准模型的预测范围，标准模型认为它的质量为80357 6MeV/c2。

进一步巩固了这一反常现象，研究人员最近还使用大型强子对撞机的数据测量了W玻色子的质量，并在1月份发表了一篇论文。一些没有参与这项研究的物理学家更愿意站在标准模型一边，这是可以理解的。

实验物理学家Martin Grünewald在《科学》杂志的一篇报道中说：“所有这些测量都声称测量的是同一个量。一定有人，我不会说是错的，但也许是犯了一个错误，或者把误差评估推得太厉害了。”

但是新的CDF分析的科学家们说，他们用来得出数字的程序经过了多年的适当审查。事实上，在这些质量检查完成之前，最终的测量值被隐藏在分析仪中。

CDF分析的主要作者Ashutosh Kotwal说：“我们的结果所涉及的改进和额外检查的数量是巨大的。我们考虑到了我们对粒子探测器的改进理解，以及对W玻色子与其他粒子相互作用的理论和实验理解方面的进展。当我们最终公布结果时，我们发现它与标准模型的预测不同。”

如果新的数字得到验证，它可能暗示着标准模型之外的未知粒子或新的物理学，它们正在干扰预期的相互作用。毕竟，研究人员已经知道这个框架是不完整的，而进一步的调查可能有助于揭开这个谜团。

“现在要靠理论物理学界和其他实验来跟进并揭开这个谜团，”CDF联合发言人David Toback说。“如果实验值和预期值之间的差异是由于某种新的粒子或亚原子相互作用造成的，这也是可能性之一，那么很有可能是在未来的实验中可以发现的东西。”

这项研究发表在《科学》杂志上。