1、18-10 粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型 標(biāo)準(zhǔn)模型標(biāo)準(zhǔn)模型(standard model of particle physics)總結(jié)從總結(jié)從20世紀(jì)世紀(jì)60到到90年代粒子物理方年代粒子物理方面的實(shí)驗(yàn)和理論成果，逐漸建立起來的粒子物面的實(shí)驗(yàn)和理論成果，逐漸建立起來的粒子物理體系。理體系。 組成物質(zhì)基本單元是三代費(fèi)米子組成物質(zhì)基本單元是三代費(fèi)米子(包括輕子和包括輕子和夸克夸克)，它們之間存在著四類基本相互作用，它們之間存在著四類基本相互作用(包括包括強(qiáng)相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引強(qiáng)相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引力相互作用力相互作用)，傳遞基本相互作用的媒介粒子是，傳遞

2、基本相互作用的媒介粒子是規(guī)范玻色子規(guī)范玻色子(膠子、光子、中間玻色子和尚未發(fā)膠子、光子、中間玻色子和尚未發(fā)現(xiàn)的引力子現(xiàn)的引力子)，以及描述電弱相互作用的電弱統(tǒng)，以及描述電弱相互作用的電弱統(tǒng)一理論和描述強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)。一理論和描述強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)。 一、三代費(fèi)米子一、三代費(fèi)米子 (three generations of fermions) 自旋皆自旋皆1/2，電荷和色數(shù)如表所示。輕子參與弱，電荷和色數(shù)如表所示。輕子參與弱相互作用或電磁相互作用，不參與強(qiáng)相互作用。中相互作用或電磁相互作用，不參與強(qiáng)相互作用。中微子靜質(zhì)量微子靜質(zhì)量0，子和子和子的靜質(zhì)量分別是電子的子的靜質(zhì)量分別是

3、電子的206.7683倍和倍和3477.7倍。倍。 第三代第三代第二代第二代第一代第一代 夸夸 克克 輕輕 子子粒粒 子子電荷色數(shù)電荷色數(shù)e111111e010101u233/c233/t233/d1 33/s1 33/b1 33/ 引入引入“代量子數(shù)，將輕子和夸克分為三代，代量子數(shù)，將輕子和夸克分為三代，每一代都包括電荷分別為每一代都包括電荷分別為2e/3和和-e/3的兩個(gè)夸克，的兩個(gè)夸克，一個(gè)帶電輕子和一個(gè)中微子。每代費(fèi)米子中，輕子一個(gè)帶電輕子和一個(gè)中微子。每代費(fèi)米子中，輕子的總電量為的總電量為-e，夸克的為，夸克的為+e，每一代的總電量為零。，每一代的總電量為零。 質(zhì)子和中子分別由夸克質(zhì)

4、子和中子分別由夸克uud和夸克和夸克udd組成，我組成，我們的物質(zhì)世界是由第一代費(fèi)米子構(gòu)成的，第二代和們的物質(zhì)世界是由第一代費(fèi)米子構(gòu)成的，第二代和第三代費(fèi)米子構(gòu)成的物質(zhì)只在高能條件下出現(xiàn)。第三代費(fèi)米子構(gòu)成的物質(zhì)只在高能條件下出現(xiàn)。 輕子和夸克尚未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是類點(diǎn)輕子和夸克尚未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是類點(diǎn)粒子，是組成物質(zhì)的基本單元。粒子，是組成物質(zhì)的基本單元。二、二、 基本相互作用基本相互作用 夸克夸克強(qiáng)子強(qiáng)子, 夸克夸克, 帶電輕子帶電輕子強(qiáng)子強(qiáng)子, 夸克夸克, 輕子輕子所有粒子所有粒子參與作用參與作用的粒子的粒子1.41310-15 m 2.4610-18 m 力程力程1 10-2

5、10-9 10-39 相對(duì)強(qiáng)度相對(duì)強(qiáng)度色荷色荷 電荷電荷弱荷弱荷 質(zhì)量質(zhì)量 力源力源 膠子膠子 光子光子中間玻色子中間玻色子(W+, W- , Z0 ) 引力子引力子 媒介子媒介子強(qiáng)相互作強(qiáng)相互作用用 電磁相互電磁相互作用作用 弱相互作弱相互作用用 引力相互引力相互作用作用 力的種類力的種類 (1) 夸克間作用實(shí)際是色荷間相互作用，色相互夸克間作用實(shí)際是色荷間相互作用，色相互作用才是基本的強(qiáng)相互作用；作用才是基本的強(qiáng)相互作用； 夸克模型的成功對(duì)強(qiáng)相互作用加深了認(rèn)識(shí)：夸克模型的成功對(duì)強(qiáng)相互作用加深了認(rèn)識(shí)： (2) 色中性核子間的核力作用是基本強(qiáng)相互作用色中性核子間的核力作用是基本強(qiáng)相互作用的一種

6、剩余效應(yīng)，像把電中性原子結(jié)合成分子的作的一種剩余效應(yīng)，像把電中性原子結(jié)合成分子的作用是電子與核間電磁相互作用的剩余效應(yīng)一樣；用是電子與核間電磁相互作用的剩余效應(yīng)一樣； (3) 一切強(qiáng)子之間通過介子傳遞的強(qiáng)相互作用一切強(qiáng)子之間通過介子傳遞的強(qiáng)相互作用都是色相互作用的剩余效應(yīng)。都是色相互作用的剩余效應(yīng)。 電弱統(tǒng)一理論的成功激勵(lì)人們繼續(xù)研究和探索電弱統(tǒng)一理論的成功激勵(lì)人們繼續(xù)研究和探索“大統(tǒng)一理論大統(tǒng)一理論”，力圖把電弱相互作用與強(qiáng)相互，力圖把電弱相互作用與強(qiáng)相互作用統(tǒng)一起來，并最終把引力相互作用也統(tǒng)一在作用統(tǒng)一起來，并最終把引力相互作用也統(tǒng)一在其中。這是人們期待已久的事。其中。這是人們期待已久的事

7、。 1967年溫伯格和薩拉姆提出電磁相互作用與弱年溫伯格和薩拉姆提出電磁相互作用與弱相互作用統(tǒng)一的規(guī)范理論，電磁相互作用和弱相相互作用統(tǒng)一的規(guī)范理論，電磁相互作用和弱相互作用是同一種基本相互作用，即電弱相互作用互作用是同一種基本相互作用，即電弱相互作用的兩種表現(xiàn)形式。得到一系列實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。的兩種表現(xiàn)形式。得到一系列實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。三、三、 規(guī)范玻色子規(guī)范玻色子 (gauge bosons) 傳遞基本相互作用的媒介粒子統(tǒng)稱規(guī)范玻色子。傳遞基本相互作用的媒介粒子統(tǒng)稱規(guī)范玻色子。 1 318個(gè)個(gè) 數(shù)數(shù)000質(zhì)質(zhì) 量量2 111自自 旋旋引力相互引力相互作用作用色相互色相互作用作用傳遞的相傳遞的相互作用互

8、作用引力子引力子g中間玻色子中間玻色子(W ,W -,Z 0 ) 光子光子 膠子膠子G粒粒 子子 電弱相互作用電弱相互作用mWGeV(. )8352 7mZGeV093 02 5(. ) 膠子是傳遞夸克之間色相互作用的媒介粒子，膠子是傳遞夸克之間色相互作用的媒介粒子，是是“色場(chǎng)的量子。兩個(gè)不同色狀態(tài)的夸克通過色場(chǎng)的量子。兩個(gè)不同色狀態(tài)的夸克通過膠子緊密地結(jié)合在一起，所以膠子必定是雙色的。膠子緊密地結(jié)合在一起，所以膠子必定是雙色的。 光子光子 和中間玻色子和中間玻色子(W、W-及及Z0 )分別是分別是電磁相互作用和弱相互作用的媒介子，在電弱統(tǒng)電磁相互作用和弱相互作用的媒介子，在電弱統(tǒng)一理論中，這

9、四種粒子都是電弱作用的場(chǎng)量子，一理論中，這四種粒子都是電弱作用的場(chǎng)量子，它們都是零質(zhì)量的粒子。它們都是零質(zhì)量的粒子。 分析表明，膠子只可能有分析表明，膠子只可能有8種色狀態(tài)，所以在種色狀態(tài)，所以在上表中標(biāo)出的膠子的個(gè)數(shù)為上表中標(biāo)出的膠子的個(gè)數(shù)為8。 但由于對(duì)稱性的破缺，只有一種媒介子但由于對(duì)稱性的破缺，只有一種媒介子(光子光子)保持了零質(zhì)量，而其它三種獲得了巨大的質(zhì)量。保持了零質(zhì)量，而其它三種獲得了巨大的質(zhì)量。致使對(duì)稱性破缺的機(jī)制稱為希格斯致使對(duì)稱性破缺的機(jī)制稱為希格斯(Higgs)機(jī)制。機(jī)制。 所以理論上確信，必定還存在一種被稱為希格所以理論上確信，必定還存在一種被稱為希格斯粒子的粒子。斯粒子的粒子。 傳遞引力相互作用的媒介