标准模型和基本粒子

标准模型是描述已知基本粒子及其间的强、弱和电磁相互作用的既定量子场论。

Definition

标准模型是一个基于规范群SU(3)_C x SU(2)_L x U(1)_Y 的相对论量子场论，通过希格斯机制产生的质量，解释了基本费米子（夸克和轻子）的电磁、弱和强相互作用，这些相互作用通过规范玻色子的交换进行。

Scope

该领域涵盖了标准模型的物质内容和力载体：三代夸克和轻子，介导强、弱和电磁相互作用的规范玻色子，以及负责电弱对称性破缺和粒子质量的希格斯场。它涉及规范结构SU(3)xSU(2)xU(1)，粒子按其量子数的分类，以及模型在希格斯玻色子发现之前和之后的实验验证，同时指出其未能解释的现象。

Sub-topics

• 规范玻色子与基本相互作用
• 希格斯机制与电弱对称性破缺
• 中微子物理学
• 夸克和轻子

Core questions

• 物质的基本组成部分是什么？它们是如何组织成代的？
• 标准模型的规范对称性如何决定基本相互作用的形式？
• 希格斯机制如何在不明确破坏规范不变性的情况下赋予规范玻色子和费米子质量？
• 哪些观测结果超出了标准模型的范畴，例如中微子质量、暗物质以及物质-反物质不对称性？

Key concepts

• 夸克、轻子和三代费米子
• 规范玻色子和规范群SU(3)xSU(2)xU(1)
• 色荷、弱同位旋和超荷量子数
• 电弱对称性破缺和希格斯场
• 渐近自由和禁闭
• 反粒子和守恒定律

Key theories

电弱统一理论

格拉肖-温伯格-萨拉姆理论将电磁相互作用和弱相互作用统一为一个单一的SU(2)_L x U(1)_Y 规范理论，光子和有质量的W、Z玻色子在自发对称性破缺后出现。

量子色动力学

强相互作用的SU(3)规范理论，其中夸克带有色荷并通过交换胶子相互作用，在短距离处表现出渐近自由，在长距离处表现出禁闭。

希格斯机制

标量场对电弱对称性的自发破缺赋予W和Z玻色子以及费米子质量，同时使光子保持无质量，并使该理论可重整化。

Clinical relevance

标准模型是物理学中最精确的理论，支撑着每一次对撞机实验的解释。然而，其未解决的问题，包括中微子质量、暗物质和重子不对称性，促使人们在大型强子对撞机等设施上持续寻找超越标准模型的物理学。

History

标准模型在20世纪60年代至70年代间建立起来，始于格拉肖、温伯格和萨拉姆的电弱统一理论，以及量子色动力学作为强相互作用规范理论的发展。其预测通过中性流的发现、1983年W和Z玻色子的发现、1995年顶夸克的发现，以及最终在2012年欧洲核子研究组织（CERN）发现希格斯玻色子而逐步得到证实，从而完善了模型的粒子内容。

Key figures

• Sheldon Glashow
• Steven Weinberg
• Abdus Salam
• Murray Gell-Mann
• Peter Higgs

Seminal works

• weinberg1967
• halzenmartin1984
• griffiths2008

Frequently asked questions

标准模型描述引力吗？

不。标准模型描述了强、弱和电磁相互作用，但不包括引力。引力由广义相对论单独描述，并且在模型中没有被接受的量子场论。

标准模型是完整的吗？

它在粒子内容上是实验上完整的，但它不被认为是一个最终理论，因为它不能解释中微子质量、暗物质、暗能量或物质相对于反物质的优势。