標準型號

粒子物理學標準模型是描述宇宙中四種已知基本力電磁強相互作用中的三個理論,並分類了所有已知的基本粒子。它是通過全球許多科學家的工作在整個20世紀後半葉分階段開發的,當時目前的配方在1970年代中期在實驗性證實夸克的存在後最終確定。從那時起, Top Quark (1995), Tau Neutrino (2000)和Higgs Boson (2012)的證明已為標準模型增加了信譽。此外,標準模型已經預測了弱中性電流的各種特性和W和Z玻色子的精度。

儘管該標準模型在理論上是自一致的,並且在提供實驗預測方面取得了一些成功,但它使某些物理現象無法解釋,因此缺乏完全的基本相互作用理論。例如,它不能完全解釋巴里昂的不對稱性,並結合了一般相對論所描述的全部引力理論,或者說明了宇宙的加速膨脹,如暗能量所描述的那樣。該模型不包含任何可行的暗物質粒子,這些暗物質粒子具有觀察性宇宙學推出的所有必需特性。它也不包含中微子振盪及其非零質量。

標準模型的發展是由理論實驗粒子物理學家驅動的。標準模型是理論家的量子場理論的範式,表現出廣泛的現象,包括自發對稱性破壞異常和非擾動行為。它被用作構建更多外來模型的基礎,該模型結合了假設的顆粒額外的維度和精緻的對稱性(例如超對稱性),以解釋與標準模型的變化時的實驗結果,例如暗物質和中性中性振蕩的存在。

歷史背景

1954年,楊陳寧(Yang Chen-nning)和羅伯特·米爾斯(Robert Mills)擴展了對阿貝爾群體(例如量子電動力學)量規理論的概念,向非亞伯群體擴展了對強相互作用的解釋。在1957年,楚恩·吳(Chien-Shiung Wu)弱相互作用中表現出了平等性。 1961年,謝爾頓·格拉肖(Sheldon Glashow)結合了電磁弱相互作用。 1967年,史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg )和阿卜杜斯·薩拉姆(Abdus Salam)希格斯機制納入了格拉肖(Glashow)的電動互動中,使其具有現代形式。

據信希格斯機制會引起標準模型中所有基本粒子質量。這包括W和Z玻色子的質量,以及費米子的質量,即夸克舔子

1973年在CERN發現了Z Boson交換引起的中性弱電流之後,Electroweak理論被廣泛接受,Glashow,Salam和Weinberg分享了1979年諾貝爾物理學獎,以發現它。 1983年通過實驗發現了W ±和Z 0玻色子。並且發現其質量的比率是標準模型的預測。

強烈相互作用的理論(IE量子染色體動力學,QCD),許多人貢獻了它,在1973 - 74年提出了漸近自由時獲得了現代形式(這使QCD成為理論研究的主要重點),並且實驗證實Hadron是由分餾的夸克組成的。

1975年,亞伯拉罕·佩斯(Abraham Pais)和薩姆·特雷曼(Sam Treiman)在1975年引入了“標準模型”一詞,參考了帶有四個夸克的electroweak理論。此後,史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)聲稱獲得了優先權,他解釋說,他是出于謙虛感選擇了標準模型,並於1973年在法國的Aix-en-Provence進行了演講中使用了標準模型。

粒子含量

標準模型包括幾類基本粒子的成員,這些粒子可以通過其他特徵(例如顏色電荷)來區分。

所有粒子都可以總結如下:

基本顆粒
基本費米子半級旋轉遵守費米 - 迪拉克統計基本玻色子整數旋轉服從玻色 - 因斯坦統計
夸克和Antiquarksspin =1/2在較強的相互作用和電子互動中的彩色電荷素Leptons和antileptons旋轉= 1/2無彩色電荷電子互動儀表玻色子旋轉= 1力載體標量玻色子旋轉= 0
三代人
  1. 向上(u),
    下降(D)
  2. 魅力(c),
    奇怪
  3. (t),
    底部(b)
三代人
  1. 電子(電子(
    e),[†]
    電子中微子(
    ν
    e)
  2. Muon(
    μ),
    Muon Neutminino(
    ν
    μ
    )
  3. tau(
    τ),
    tau nutrino(
    ν
    τ
    )
三種
  1. 光子
    (
    γ;電磁相互作用)
  2. W和Z玻色子
    (
    W,
    W,
    z;較弱的相互作用)
  3. 八種類型的脾氣
    (
    G;強烈的互動)
一種

希格斯玻色子 (
H)

筆記:
[†]反電子(
e)通常稱為“正電子”。

費米

標準模型包括12基本粒子1⁄2 稱為費米子。根據自旋統計定理,費米子尊重保利排除原則。每個費米子都有相應的反粒子。費米子是根據它們的相互作用方式進行分類的(或同等的,按照其攜帶的指控)進行分類。有六個夸克向上向下魅力奇怪頂部底部)和六個電子電子中微子MuonMuon NeutrinoTauTau Neutrino )。每個類都分為成對的粒子,這些粒子表現出類似的物理行為稱為一代(請參閱表)。

夸克帶有顏色電荷,因此通過強相互作用相互作用。顏色限制的現象導致夸克彼此牢固地束縛,形成了稱為HADRON的顏色中性複合顆粒,其中包含夸克 - 易夸克對( Mesons )或三個夸克(Baryons)( Baryons )。最輕的重子是核子質子中子。夸克還帶有電荷弱的同胞,因此通過電磁弱相互作用與其他費米相互作用。其餘的六個費米子不帶有彩色電荷,被稱為瘦素。這三個中微子也不會帶有電荷,因此它們的運動僅受到弱相互作用和重力的影響,因此難以觀察。相比之下,電子,MUON和TAU都在攜帶負電荷時會電磁相互作用。

一代人的每個成員的質量比先前的世代相應粒子更大。由於第一代粒子不會衰減,因此它們由所有普通(重型)物質組成。具體而言,所有原子都由繞原子核周圍的電子組成,最終由上下夸克組成。另一方面,第二代和第三代充電顆粒的半衰期非常短,只能在高能環境中觀察到。所有世代的中微子也不會衰落,並且遍布宇宙,而是很少與男性互動。

儀表玻色子

標準模型中的相互作用。模型中的所有Feynman圖都是由這些頂點的組合構建的。 q是任何夸克, g是gluon, x是任何帶電的粒子,γ是光子, f是任何fermion, m是任何具有質量的粒子(可能是中微子除外), m b是質量的任何玻色子。在具有由 /一個粒子標籤分開的多個粒子標籤的圖中。在帶有粒子標籤的圖中|標籤必須按照相同的順序選擇。例如,在四種玻色子電孔情況下,有效圖是wwww,wwzz,wwγγ,wwzγ。還允許每個列出的頂點的共軛(反向箭頭的方向)。

標準模型包括3塊玻色子自旋1,玻色子是含有整數自旋的量子顆粒。儀表玻色子被定義為力載體,由光子W和Z玻色子Gluon ,介導電磁,弱和強大的基本相互作用組成。結果,它們不遵循約束費米子Pauli排除原則:因此,玻色子對其空間密度沒有理論上的限制(每個體積的數量) 。儀表玻色子的類型如下所述。

  • 光子介導電電顆粒之間的電磁力。光子是無質量的,由量子電動力學理論描述。

  • W,
    棍棒
    z儀表玻色子介導了不同口味(所有夸克和葉子)之間的弱相互作用。它們包含質量,帶有
    z的質量比
    W.涉及的薄弱互動
    W僅作用於左撇子顆粒和右手的反粒子。這
    W將電荷+1和-1和夫妻帶到電磁相互作用。電氣中性
    Z玻色子與左手顆粒和右手反顆粒相互作用。這三個儀表玻色子和光子一起被分組在一起,共同介導了電子相互作用。
  • 膠子介導了強相互作用,該相互作用通過影響顏色電荷的顏色電荷彼此結合,與量子染色體學理論中描述了相互作用。它們沒有質量,並且肌的八倍多重性用顏色組合和抗彩色電荷標記(例如紅色 - 抗原)。由於Gluons具有有效的顏色電荷,因此它們也可以相互互動。

在物理學中,相互作用是粒子影響其他顆粒的方式。在宏觀水平上,電磁學使顆粒可以通過電場磁場相互作用,並且引力使具有質量的顆粒可以根據愛因斯坦的一般相對論互相吸引。標準模型解釋了由物質粒子交換其他顆粒的力,通常稱為力介導粒子。當交換實力的粒子時,宏觀水平的效果等同於影響它們的力,因此據說該粒子已介導(即,是該力的代理)。 Feynman圖計算是擾動理論近似的圖形表示,調用了“介導顆粒”,並且應用於分析高能量散射實驗時與數據合理吻合。然而,在其他情況下,擾動理論(及其及其概念是“實力粒子”的概念)失敗。這些包括低能量子染色體動力學,結合狀態孤子

標準模型所描述的所有粒子之間的相互作用由本節右側的圖匯總。

希格斯玻色子

希格斯粒子是由彼得·希格斯(Peter Higgs)在1964年理論上的巨大標量基本粒子,當時他表明戈德斯通(Goldstone)的1962年定理(一般連續對稱性,自發損壞)提供了大規模矢量場的第三個極化。因此,提出了Goldstone的原始標量雙線,即巨大的自旋零粒子,作為希格斯玻色子,是標準模型中的關鍵構建塊。它沒有固有的自旋,因此,它被歸類為玻色子(如具有整數旋轉的儀表玻色子)。

希格斯玻色子在標準模型中起著獨特的作用,通過解釋為什麼除光子gluon以外的其他基本顆粒是巨大的。特別是,希格斯玻色子解釋了為什麼光子沒有質量,而W和Z玻色子很重。基本粒子質量以及電磁學(由光子介導的)與弱力(由W和Z玻璃體介導的)之間的差異對於微觀(以及宏觀)物質結構的許多方面至關重要。在Electroweak理論中,Higgs玻色子產生了Lepton(電子,Muon和Tau)和夸克的質量。由於希格斯玻色子是巨大的,因此必須與自身相互作用。

由於希格斯玻色子是一個非常龐大的粒子,並且在創建時幾乎立即衰減,因此只有一個非常高能量的粒子加速器才能觀察並記錄下來。使用大型強子對撞機(LHC)在CERN上確認和確定Higgs玻色子的性質的實驗始於2010年初,並在FermilabTevatron上進行,直到2011年底關閉。標準模型的數學一致性要求任何機制能夠產生的基本顆粒質量必須在上方的能量上可見1.4 TEV ;因此,LHC(設計為碰撞兩個建造7個TEV質子梁)是為了回答希格斯玻色孔是否真的存在的問題。

2012年7月4日,LHC( AtlasCMS )的兩個實驗都獨立地報告說,他們發現了一個質量約為質量的新粒子125 GEV/ C 2 (約133個質子質量, 10 -25 kg ),“與希格斯玻色子一致”。 2013年3月13日,它被確認為希格斯玻色子的搜索。

理論方面

標準模型Lagrangian的構建

從技術上講,量子場理論為標準模型提供了數學框架,其中拉格朗日控制了理論的動力學和運動學。每種粒子都是用遍布時空的動態來描述的。標準模型的構建按照構建大多數場理論的現代方法進行:首先假設系統的一組對稱性,然後通過從其粒子(磁場)含量中寫下最通用的可重新分配的lagrangian,從而觀察到這些對稱性。

全球龐加萊對稱性是針對所有相對論量子場理論的。它由熟悉的翻譯對稱性旋轉對稱性特殊相對論理論中心的慣性參考框架組成。局部SU(3)×SU(2)×U(1)儀表對稱性是一種內部對稱性,基本上定義了標準模型。粗略地,量規對稱的三個因素引起了三個基本相互作用。這些字段屬於標準模型的各種對稱組的不同表示(請參見表)。在編寫最一般的拉格朗日時,人們發現動態取決於19個參數,其數值是通過實驗確定的。參數匯總在表上(通過單擊“顯示”)中的表中。

量子染色體動力學部門

量子染色體動力學(QCD)扇區定義了夸克與膠子之間的相互作用,這是由SU(3)對稱性的Yang -Mills儀表理論,由由SU(3)。由於Leptons不與Gluons相互作用,因此它們不受該部門的影響。 Quarks的Dirac Lagrangian耦合到Gluon Fields

其中是狄拉克紡紗器的三個組件列向量,其每個元素都提到帶有特定顏色電荷(即紅色,藍色和綠色)的夸克字段,以及味道的總和(即向上,向上,向下,奇怪等)默示。

QCD的量規協方差衍生物由

  • γμ狄拉克矩陣
  • GA
    μ是8 component()su(3)量規場,
  • λa
    是3×3 Gell-Mann矩陣,SU(3)顏色組的發電機,
  • GA
    μν代表gluon場強量張量,並且
  • G S是強耦合常數。

QCD Lagrangian在本地SU(3)儀表轉換下是不變的;即形式的轉換,其中是具有確定性1的統一矩陣,使其成為su(3)組的成員,並且是時空的任意函數。

電動部門

電動部門是Yang -Mills儀表理論,其對稱組U(1)×SU(2) L

下標在三代費米子中總和; ,並且是左手雙打,右手的單線類型,右手旋轉式的夸克場;並且是左撇子雙打和右手的單身Lepton Fields。

electroweak儀表協方差衍生物被定義為

  • 是u(1)量規場,
  • Y W弱的超負荷- U(1)組的發電機,
  • W μ是3組分SU(2)量規場,
  • τl SU(2)組的Pauli矩陣- 無限發電機,帶有下標L,表明它們僅在左手寫費米子上起作用,
  • g'g分別為u(1)和su(2)耦合常數
  • (),是弱的同胞素和弱充電場的場強張量。

請注意,禁止將費米亞質量項添加到electroweak lagrangian中,因為表格的術語不尊重u(1)×su(2)l儀表不變性。也不能為U(1)和SU(2)量規字段添加明確的質量項。希格斯機制負責產生量規玻色子質量,而費米亞質量是由Yukawa型與Higgs場相互作用引起的。

希格斯行業

在標準模型中,Higgs字段是具有四個自由度的複雜標量場的雙打:

上標 +和0表示組件的電荷。這兩個組件的弱充電均為1。在對稱破裂之前,希格斯lagrangian是
上面定義的electroweak儀表協變量是在哪裡,是希格斯場的潛力。協方差衍生物的平方導致電子儀表場和標量場之間的三個和四點相互作用。標量電位由
在哪裡,因此獲得了非零的真空期望值,該值會為電動量規場(HIGGS的機制)產生質量,並從下方界定電勢。四分之一的術語描述了標量場的自我互動。

電勢的最小值是通過無限數量的等效基態溶液退化的,該解決方案發生在何時。可以對基態轉換為基礎和位置。這打破了基態的對稱性。現在的期望值變成

其中有質量單位,並設置了電子物理學的比例。這是標準模型的唯一維度參數,其測量值約為246 GEV/C2。

對稱破裂後,可以將其質量和質量視為理論的預測。光子保持無質量。希格斯玻色子的質量是。由於並且是自由參數,因此無法事先預測希格斯的質量,因此必須通過實驗確定。

Yukawa部門

Yukawa的互動術語是:

其中,是Yukawa耦合的3×3矩陣,Mn項給出了世代M和N的耦合,而HC表示前一個術語的Hermitian結合物。田野和左手夸克和輕子雙線。同樣,並且是右手的上式夸克,羽絨夸克和Lepton Singlets。最終是希格斯雙線,是其電荷共軛狀態。

在標準模型的儀表對稱性下,Yukawa項是不變的,並在自發對稱性破裂後為所有費米子產生質量。

基本互動

標準模型描述了自然界四種基本相互作用中的三個。只有重力仍無法解釋。在標準模型中,這種相互作用被描述為受影響的物體之間的玻色子的交換,例如電磁力的光子和用於強相互作用的gluon 。這些顆粒稱為力載體或信使顆粒

自然的四個基本互動
屬性/互動引力electroweak強的
虛弱的電磁基本的剩餘的
介導顆粒尚未觀察到
(假設引力
W + ,W -和Z 0γ (光子)脾氣πρω介子
受影響的顆粒所有顆粒左撇子費電荷夸克,脾氣哈德子
行動應力 - 能量張量味道電荷顏色充電
形成了約束狀態行星,星星,星系,星系組原子,分子哈德子原子核
夸克的力量
(相對於電磁學)
10 -41 (預測)10−4160不適用
到夸克
規模
質子/中子
(相對於電磁學)
10 -36 (預測)10−71不適用
給哈德子
20

重力

儘管也許是最熟悉的基本互動,但由於在結合一般相對論,現代重力理論​​和量子力學時會出現矛盾,因此標準模型並未描述重力。但是,在微觀尺度上,重力是如此弱,以至於基本上是無法衡量的。重力被假定為介導粒子。

電磁學

電磁作用是標準模型中唯一的遠程力。它是由光子和夫妻介導的電荷。電磁作用負責廣泛的現象,包括原子電子殼結構化學鍵電路電子設備。標準模型中的電磁相互作用通過量子電動力學描述。

弱核力量

弱相互作用是導致各種形式的顆粒衰減,例如β衰減。由於弱介導顆粒W和Z玻色子具有質量,它是弱且短距離的。 W玻色子具有電荷並介導改變粒子類型(稱為風味)和電荷的相互作用。 W玻色子介導的相互作用是充電的電流相互作用。 Z玻色子是中性的,並且介導中性電流相互作用,不會改變顆粒風味。因此,除了它們與中微子相互作用外,Z玻色子與光子相似。弱相互作用也是違反平等CP的唯一互動。由於W玻色子僅與左撇子費米子和右手反激素相互作用,因此違反平價違規是最大的電流相互作用。

在標準模型中,弱力是從電動理論來理解的,該理論指出,弱和電磁相互作用在高能量下成為單一的電子相互作用。

強大的核力量

強大的核力量負責輻射和核結合。它是由膠子介導的,這些振盪夫婦會塗上電荷。由於Gluon本身俱有彩色電荷,因此強力表現出限制漸近自由。限制意味著只有顏色中性顆粒才能孤立地存在,因此,只有在低能量下,只有在黑龍中才能存在夸克,而不會孤立地存在夸克。漸近力意味著隨著能量量表的增加,強力變得較弱。強力在各自的尺度上分別超越了核和黑核中質子和夸克的靜電排斥。

儘管夸克通過基本的強相互作用綁定在hadron中,而強烈的相互作用是由膠子介導的,但核子被稱為殘留強力核力量的新興現象所結合。這種相互作用是由介導的介導的,例如錐子。核子內部的顏色電荷取消,這意味著大多數Gluon和Quark場在細胞核之外取消。然而,某些殘基被“洩漏”,該殘基似乎是虛擬介子的交換,從而導致核子之間的吸引力。 (基本的)強相互作用由量子染色體動力學描述,這是標準模型的組成部分。

測試和預測

標準模型預測了W和Z玻色子GluonTop QuarkCharm Quark的存在,並在觀察到這些顆粒之前預測了它們的許多特性。預測以良好的精度確認。

該標準模型還預測了Higgs玻色子的存在,該模型於2012年在大型強子對撞機上發現,這是標準模型預測的最終基本粒子。

挑戰

物理學中未解決的問題

  • 是什麼導致粒子物理的標準模型?
  • 為什麼粒子質量和耦合常數具有我們測量的值?
  • 為什麼有三代粒子?
  • 為什麼在宇宙中比反物質還要多?
  • 暗物質適合模型?它甚至由一個或多個新粒子組成嗎?

標準模型(當前是通過路徑綜合量量化的非Abelian儀表理論)的自諧度尚未在數學上證明。儘管存在適用於近似計算(例如晶格量規理論)的正則化版本,但尚不清楚它們是否在去除調節器的限制下是否會收斂(從s-matrix元素的意義上)。與一致性有關的一個關鍵問題是楊麥爾ills的存在和質量差距問題。

實驗表明中微子具有質量,經典的標準模型不允許。為了適應這一發現,可以對經典的標準模型進行修改以包括中微子質量,儘管這並不明顯地應如何完成。

如果人們僅使用標準模型顆粒,則可以通過添加瘦素與希格斯玻色子的不可分解的相互作用來實現這一點。從基本層面上講,這種相互作用出現在Seesaw機制中,其中右手中微子被添加到理論中。這在標準模型的左右對稱擴展和某些大統一理論中是自然的。只要新物理學出現在10 14 GEV左右,中微子質量就可以是正確的數量級。

理論和實驗研究試圖將標準模型擴展到統一的田地理論一切理論中,這是一個完整的理論,解釋了包括常數在內的所有物理現象。激勵此類研究的標準模型不足之處包括:

  • 該模型不能解釋引力,儘管對被稱為重力的理論粒子的物理確認會在一定程度上解釋它。儘管它解決了強大和電靜電的相互作用,但標準模型並未始終如一地解釋引力的規範理論,一般相對論,從量子場理論方面。造成這種情況的原因是,在達到普朗克量表之前,重力理論通常會分解。結果,我們對早期宇宙沒有可靠的理論。
  • 一些物理學家認為它是臨時和不貴的,需要19個數值常數,其價值是無關的和任意的。儘管現在的標準模型可以解釋為什麼中微子有質量,但中微子質量的細節仍不清楚。據信,解釋中微子質量將需要額外的7或8個常數,這也是任意參數。
  • 如果在高能量尺度上存在一些新物理學(與希格斯耦合),則希格斯機制會引起層次結構問題。在這些情況下,為了使弱量表比普朗克量表小得多,需要對參數進行嚴重的微調。但是,還有其他情況包括量子重力,可以避免這種微調。量子瑣事也存在一些問題,這表明可能無法創建涉及基本標量粒子的一致量子場理論。
  • 該模型與新興的Lambda-CDM宇宙學模型不一致。爭論包括在觀察到的冷暗物質(CDM)量的標準粒子物理模型中沒有解釋及其對暗能量的貢獻,這是許多數量級的數量級。也很難容納觀察到的物質而不是反物質(物質/反物質不對稱)。可見宇宙在大距離上的各向同性均勻性似乎需要像宇宙通脹這樣的機制,這也構成了標準模型的擴展。

目前,尚無對所有事物的建議理論得到廣泛接受或驗證。

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