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最成功的物理学理论之一——标准模型,帮助我们认识世界的本质

2021-10-20  老胡说科学
在这篇文章中,我们将接续我上一篇文章的内容,了解从1950年到60年代末的标准模型的历史。我们将介绍粒子加速器的发展、强子的故事和对称性破缺。
标准模型简史(至1950s),描述粒子及其相互作用的最好理论

粒子加速器和对称性——20世纪50年代至60年代‍

自20世纪50年代以来,绝大多数的粒子物理学实验都是围绕着将粒子撞击在一起而进行的。其原理很简单--将粒子加速到接近光速的速度,然后让它们碰撞。在粒子碰撞之后,分析它们是如何散开的,看看是否与理论预测一致。物理学家通过计算散射振幅(scattering amplitudes来预测散射应该是什么样子的。散射振幅是一种概率分布,它描述了粒子在相互作用后可能处于个状态。振幅分析是量子场理论的一个必修课。
粒子加速器是一种设备,可以将粒子加速到散射实验所需的高能量。在20世纪50年代,粒子加速器和气泡室(bubble chambers有了一个显著的改进。在20世纪40年代末,物理学家通常用同步加速器来做这个实验。同步加速器是一种用磁场加速粒子的加速器。随着粒子能量的增加,磁场的强度也随之增加以跟上它。
磁场强度需要随着粒子速度的增加而增加,并使其保持在一个圆形的形状。否则,粒子就会偏离方向。
同步加速器在20世纪40年代末被用来加速电子,让电子接近光速通常要容易得多(相比于质子而言)。所需的能量通常在1 GeV左右。在同步加速器中加速质子直到1952年才获得成功,质子同步加速器的进一步发展能够产生能量E≥MeV。
20世纪50年代是黄金的十年,在此期间发现了几十种粒子,其中大部分与强相互作用有关。这些粒子主要是强子。强子是一种由夸克组成的粒子,这是一种我们将在后面谈论的基本粒子。质子和中子是强子,但还有其他例子,如介子。
物理学家当时并没有认真对待夸克的概念。夸克是一种基本粒子,通过强相互作用而聚集在一起,强相互作用力的载体是胶子。在量子色动力学中有一个关于夸克及其相互作用的理论。
  • 上面的图是一个质子。它是由两个 "上 "夸克和一个 "下 "夸克组成。夸克被强相互作用载体——胶子固定在一起。
强子被分为两种不同的类型,取决于它们由多少个夸克组成。有两个夸克的强子被称为介子,而有三个夸克的强子被称为强子。你可能知道的强子是质子和中子,它们都由三个夸克组成。我们在前面的文章中讨论过的π介子,它是一种介子。
走进奇异原子世界,它为何能引发新的物理学,甚至促使能源突破?
有一些特定类型的属性与粒子相关联,我们通常会将这些特性与粒子联系起来。其中一个特征,电荷,是我们熟悉的东西。质子有一个正电荷,而电子有一个负电荷。电荷的概念很重要,因为它在相互作用过程中保持不变。
随着新粒子被发现,物理学家推测可能还有其他类型的电荷存在。其中一个种是奇异性(strangeness,它在衰变中发挥作用。奇异性是一种电荷,当物体在强相互作用下相互作用时守恒。
此外,还有一种被称为 "奇偶性 "的属性,大致上是指对粒子的方向进行编码。事实证明,与电磁和强相互作用不同,奇偶性在弱相互作用下是不守恒的。在吴健雄等的实验中,发现钴的β衰变改变了方向。这表明,奇偶性并不是大家曾经认为的自然界的基本对称性。

20世纪60年代的对称性‍

物理理论的对称性是如何与电荷等守恒量紧密相连的?通常情况下,一个物理理论都有一个相关的对称群。例如,在量子电动力学(支配电磁力的理论)中,我们有一个被数学家称为 "U(1)对称 "的对称结构,由光子介导。
其他理论,以及因此而提出的对称群,以某种方式统一了弱、强和电磁相互作用。一个例子是杨-米尔斯理论,一个非阿贝尔对称群。它目前被用于标准模型,但在当时,它所预测的中介粒子还没有被发现,所以科学界否定了这个理论。
缺乏一个统一的对称群是一个问题。在20世纪50年代,发现了这么多粒子,但不知道哪些粒子是基本粒子,哪些不是。然而,在1961年,盖尔曼等发现了“八重法”。
  • 介子的八隅
八重法是一种方法,根据称为 "SU(3) "的对称群的表征,系统地组织不同的粒子。一个对称群的表征是一组遵守基本对称规则的数学对象。例如,为了表示旋转群,我可以给你一个角度,让你在0到360度之间旋转一个圆。在这种情况下,我用一个数字表示旋转群。这将是旋转组的一维表示。然而,我也可以用表示旋转的2 × 2矩阵来表示它,这将是一个二维的表示
有一个想法,即通过将粒子组织成群组的代表来给粒子增加一些结构。像SU(3)这样的群的表征可以被看作是网格上的一个格子,其中X轴是一个守恒量,Y轴是另一个守恒量。中子和质子是一个单一多重态的两个状态,是SU(3)的8维表示法的一部分这在下面的奇异性和电荷的图表中表示出来。八个维度中的每一个都预测或与粒子的存在相一致。
还有一个10维的SU(3)表示法,Ω-粒子还没有被发现,但从格子图中,盖尔曼预测了它的存在,然后在不久之后发现了它。然后,在1964年,盖尔曼等再次提出了夸克的想法。在数学中,对称群有一个 "内在的 "表示,称为基本表示。SU(3)的基本表示是三维的,这促使人们产生了夸克的想法,因为三个夸克组成一个强子。最初的夸克是上、下和奇异夸克。
由于数学上的原因,除非有另一个守恒量,否则10表示法、奇异性、夸克和费米子的存在是不可能的。1964年格林伯格和1965年南部和韩提出了颜色的概念来解决这个问题。1967年,深度非弹性散射给出了第一个证据,证明质子和中子内部有东西。然后人们开始认真对待夸克的想法。

对称性破缺‍

解释粒子具有质量的最佳机制—自发对称性破缺,如何理解负质量?
这些发展都是好的,但没有人能够解释为什么粒子有质量。要做到这一点,他们需要额外的数学机制。早在1961年,南部、戈德斯通、萨拉姆和温伯格就提出了对称性破缺的想法。南部从超导中得到了对称性破缺的想法。对称性破缺是指在某些条件下,如较低的温度,场方程的解坍缩成一种状态,这种状态不一定保持理论本身的原始对称。
戈德斯通意识到,当把一个对称性分解成一个更小的对称群时,一个粒子应该是无质量的,另一个是有质量的。
这就是为什么粒子可能有质量背后的机制,在1964年,希格斯机制被发现。希格斯机制是一种对称性破缺,是解释标准模型中质量的模型。希格斯机制还预测了一个新粒子的必要存在,即2013年发现的希格斯玻色子。
希望这篇文章已经给出了一些关于标准模型的相对近期发展的细节。在下一篇文章中,我将写到标准模型目前的问题。


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