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【SM简史=2013情人节-1900愚人节】【2ND ED】

已有 4305 次阅读 2013-4-28 02:40 |个人分类:题外话|系统分类:人物纪事| 情人节, 标准模型, 愚人节

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国产007写毕业论文哪有不翻来覆去地搬弄修改呢!前一个版本,老师的意思,好像觉得咋也不像毕业论文那么回事。。。不涂来改去,也没有这一大板水贴。

连按两下叮当!

必须说明,灌水过程中,除了已经标注的文献以外,严重参考过:

维基百科;

和李淼老师在弦论通俗演义或者成书《超弦史话》前头关于量子场论的话;

还有,Paul Langacker的百科文章 Grand unification,有时间,计划干脆把全文翻译一下;

还有还有,从二叔前辈博文中见到的讨论LIX哲学问题的两个好词“笛卡尔路线”和“培根路线”。



为什么要在文本编辑器中加入一个地图功能呢?呢?昵?常用?不常用?





现代粒子物理学[1]的起源[2]可追溯至19世纪末20世纪初期:X射线(Wilhelm Röntgen, 1895)及放射性(Henri Becquerel, 1896)和电子(J. J. Thomson, 1897)的发现,大自然的亚原子物理基础显露出冰山一角;相对论(relativity)[3]的提出和量子力学(quantum mechanics)[4]的建立滋生出蓬勃发展的现代自然科学。为了看清楚(探测)小尺度的结构,我们需要一个分辨率达到同样尺度的“探针”。简单地来说,按照物质波的想法,物质粒子的德布罗意波长为

其中,是普朗克常数。光学显微镜的分辨能力有赖于光的波长(, 是孔径角),类似地,在亚原子尺度,我们必须采用大动量的探针以达到所需的分辨能力。因此,“粒子物理学”也被称为“高能物理学”。常数表达了此领域物理的特征,在工作中频繁出现。为了使表述简便、显得美观,不失一般性,粒子物理广泛采用Lorentz–Heaviside单位制()。比如,我们可以从下面这个常数[1]来看能量标度及其对应的尺度。

众所周知,大型正负电子对撞机(Large Electron–Positron Collider, LEP)2000年关闭之前,达到的最高对撞能量209 GeV,是目前高能物理精确测量所达到的最大能标。换句话说,实验对粒子物理理论进行的精确检验已深入到小尺度的范围。





量子场论(quantum field theory)[5,6]是一套用于构建场的量子力学模型的数学形式和概念框架。相对论性的量子场论(relativistic quantum field theory)接受了经典场论以场描述物理的想法;继承了量子力学的一般原理;拉氏量满足整体庞加莱对称性的要求。

在量子力学建立之后不到两年,物理学家的课题已必须处理有粒子数改变的系统,如:自发辐射。这促使人们对当时唯一了解的一类经典场——电磁场——施加正则量子化,导致了量子场论的出现。量子场论的研究从约旦(Pascual Jordan)的早期探索和狄拉克(P. A. M. Dirac)的辐射量子化及自旋为1/2的相对论性的场方程(Dirace quation)开端。在1940年代,由贝特(H. A. Bethe),施温格(J. Schwinger),朝永振一郎(Sin-Itiro Tomonaga),费曼(Richard P. Feynman)和戴森(F. Dyson)等人完成的量子电动力学(quantum electrodynamics, QED),在今天来说,仍然是最精确的物理理论。QED是一种描述现实的最简单的量子场论,它在后续粒子物理理论的构建中,自然地被借鉴和效仿。而到1970年代Leo Kadanoff, Michael Fisher和Kenneth G. Wilson发展的重正化群(renormalization group)及有效场论(effective field theory),量子场论已走向成熟





在人类经验活动所及的能区,我们已知存在于大自然的力,按其相互作用强度的特征数量级,可分为强力,电磁力,弱力,和引力[1]。旨在描述前三种微观相互作用的粒子物理标准模型(standard model of particle physics, SM)[7,8]就是一个相对论性的量子场论范例。其拉氏量的构造基于

这样一种定域规范对称性(local gauge symmetry);规范群通过BEH机制(Brout-Englert-Higgs mechanism)自发对称性破缺(spontaneous symmetry breaking, SSB)

以成为一个贴近现实的理论。't Hooft1971年又分别给出了在规范对称性是否自发破缺两种情形下,杨-米尔斯理论都是可重整化(renormalizable)理论的严格证明。SM以这种理论结构一代一代地安装了至今所发现的三代费米子,同时,以类似CKM矩阵的方式把可能的味混合参数化。

一个规范理论的规范群和群表示一旦选定,其规范相互作用形式就被唯一地确定到每一个群因子相应地留一个规范耦合自由参数的程度。规范不变性要求规范玻色子无初始质量项,似乎意味着规范理论所描述的相互作用都是长程力。而事实上,除电磁作用以外,强、弱作用均为短程力!前者由于有胶子的自相互作用以及长距离标度下量子色动力学(quantum chromodynamics, QCD)的非微扰(强耦合)效应。后者则是因为,在系统的真空态,理论的规范对称性发生了某种自发破缺,使得与弱作用这种短程力相对应的规范玻色子获得质量。BEH机制是一种最简单的破缺机制,同时它预言存在一个自旋为0的新的基本粒子——希格斯粒子。理论的可重整化,使得SM甚至直到普朗克能标具有描述物理的潜力。

归根结底,物理是一门实验科学。在过去的几十年里,从衰变实验的理论解释中提出来的四费米子相互作用理论(Fermi, 1934)[9,10],经数十人前后跨越30余年的原创工作所进行的修正和推广,很好地描述了带电流弱相互作用;结合QED立即建立起电弱统一理论(electroweak theory, 1964),再与描述强相互作用的QCD一起,SM作出的理论预言或者对现象的解释,至今与加速器上的几乎所有实验事实相一致

  • 1967年预言了[11]弱中性流的存在(CERN, 1973)及其宇称破缺强度(SLAC, 1978), 和弱规范玻色子的质量关系(1983)[12–14]

  • 1970按照GIM机制[15]预言了粲夸克存在(SLAC, BNL, 1974)

  • 1962年预言了[16]胶子存在(DESY, 1978)

  • 1973年预言了[17]顶夸克存在(1995)[18],而且,基于理论和实验的一致性,还间接地验证了辐射修正和重正化的想法,对顶夸克的质量也给出一个成功的预言;

  • 1970年代预言了中微子的存在(2000)[19]

除了正在实验[20,21]上接受诊断的BEH机制以外,在尺度下限小于cm的范围内,SM无疑是大自然三种微观相互作用的一个近似正确的描述

历史地看,在任何时代,最重要的知识永远是等待探索的未知。已取得伟大成就的SM备受瞩目,然而,看起来甚至几乎不可能是关于强、弱和电磁三种相互作用的终极理论。人们预期,在比过去经验更高的能标,比如~TeV, GUT能标(GeV),能标(GeV)将不得不在SM中引入高维项(不可重整化)以囊括新出现的微观物理现象。从这个意义上讲,好比早期的费米理论,SM也是一种低能有效理论

如果对理论的预言能力及其结构美学提出更高的要求,SM立即陷入如下困境

  • 电弱对称性破缺机制尚未被最后证实;

  • 为了与中微子具有很小的质量这一事实保持一致,它可以有多种不同的扩展方式;

  • 没有对宇宙中暗物质、暗能量的观测结果给出令人满意的解释;

  • SM不能告诉我们,为什么电荷量子化。换句话,SM没有彻底地解释原子的电中性;

  • 要求若干模型参数具有一种极不稳定的精细调节;

  • SM描述强、弱和电磁三种基本微观相互作用的本性,彼此很不相同,其理论构架看上去比较复杂;

  • 没能把引力作为一种量子力学的描述包含在内;

  • 没有

  • 若以一个终极理论的要求来看,SM相当大的任意性还表现在,它的自由参数之多:不算入基本粒子电荷配置的自由度,最成熟版本的SM也至少包含19个先验的自由参数[1]3个耦合;9个费米子质量;3个夸克混合角和1CP破缺的KM相位;1个希格斯粒子质量;1个独立的规范玻色子质量和一个极小的QCD真空角。越来越多的实验证据[1]表明,实际上,中微子有质量,存在非零的混合角。如果中微子是轻子数守恒的狄拉克费米子(Dirac fermion),就需要为其质量及其混合再引入7个参数;若中微子是轻子数不守恒的马约拉纳费米子(Majorana fermion),则需要相应地引入9个参数

我们可以把这一错综复杂的局面整理成[2]:规范对称性问,费米子问题,希格斯/级列问题(hierarchy problem),强CP问题,引力问题和一些空缺要素(用以解释中微子质量,正反重子数不对称,暗能量,暗物质,和味改变中性流、质子衰变、电偶极矩的压低等现象的机制)等若干待解决的问题。一方面,解决这些问题中的任何一个或几个都是探索超出标准模型新物理的有力动机;另一方面,所有这些问题都暗示,SM应该是某种更为根本的基础理论(underlying theory)的部分特征。






从各种角度超出标准模型,进行的新物理探索有相当多的可能性。根据物理学家所采取的策略,所有可能的新物理可以大致地分成两种类型:“培根路线的”(bottom-up)“笛卡尔路线的”(top-down)。所谓“培根路线的”新物理探索,是针对上述个别问题,通过扩展标准模型,并结合实验进展各个击破,企图归纳出全部新物理效应的做法。这种类型的新物理探索当然有很多,如:引入超对称 (supersymmetry)、动力学对称性破缺(dynamical symmetry breaking)、扩展的希格斯部分(extended Higgs sectors)、小希格斯模型(little Higgs models)、大额外维和扭曲空间(large and warped extra dimensions)、费米子的代对称性(family symmetries),和TeV能标下扩展的规范对称性等等。所谓“笛卡尔路线的”新物理探索,则是直接寻找那种以SM为低能标极限的更为根本的基础理论,这种理论足以克服或者本身就不存在SM上述问题,企图通过演绎推导得到各种新物理效应。在现今看来,有可能发展成为这种基础理论的有大统一理论(Grand Unified Theory, GUT)[22–26]或超弦理论(superstring theory)[27–31]。弦理论描述物理具有许多优于场论的先天特性,但是,现在,其研究还处在一个盲人摸象的阶段,远未完善。

直至2000年代的实验进展,除了在强子对撞机上不断填充了SM所预言的粒子谱,和在轻子对撞机上对SM有了进一步的精确检验以外,把各种新物理的参数空间一步一步限制到了更小的范围,但仍然缺乏足以判决这两类新物理中众多理论尝试的确凿证据或证伪。为了推进上述问题的解答,在更高的能标去探测和积累各种可能的新物理效应是最行之有效的办法。欧洲核子中心(European Organization for Nuclear Research, CERN)1994年正式批准建造一个大型的质子-质子对撞机——大型强子对撞机(Large Hadron Collider, LHC)

  • LHC2008910日第一次启动完成了首次测试;

  • 20091130日,LHC1.18 TeV的质子束流能量刷新世界纪录;

  • 2010330日,两束质子束流在7TeV质心能下对撞,终于开启了LHC时代;

  • 2011421日,LHC的峰值亮度刷新世界纪录。

2013214日起,LHC长期关机~2年,进行维护和升级。此前,LHC都运行在质心能8 TeV以下,预计预计届时质子-质子对撞质心能将可达到~13-14 TeV,峰值亮度将可达到的设计指标。



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[1]在今天的高能物理中,引力由于其相互作用强度太微弱通常已被忽略掉,目前还未找到一个能够成功描述引力微观相互作用的量子理论也是原因之一。根据有效场论的想法和基本物理常数简单的量纲匹配,我们当然知道,当能标达到普朗克质量标度附近时,四种相互作用的强度应该显得差不多。

[2]分别对SM每一类问题的详细阐述可参看Paul Langacker, The Standard Model and Beyond, 2009, (Taylor & Francis).


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[1]        J. Beringeret al. (Particle Data Group) 2012 Review of Particle Physics Physical Review D86 010001

[2]        Pais A 1988 Inward Bound: Of Matter and Forces in the Physical World (Oxford University Press)

[3]        Einstein A 2010 Relativity: The Special and the General Theory (Martino Fine Books)

[4]        Sakurai J Jand Napolitano J J 2010 Modern Quantum Mechanics (Addison-Wesley)

[5]        Peskin M Eand Schroeder D V. 1995 An Introduction To Quantum Field Theory (Westview Press)

[6]        Zee A 2010 Quantum Field Theory in a Nutshell (Princeton University Press)

[7]        Langacker P 2009 The Standard Model and Beyond (Taylor & Francis)

[8]        Georgi H 2009 Weak Interactions and Modern Particle Theory (Dover Publications)

[9]        Fermi E 1934 Versuch einer Theorie der β-Strahlen. I Zeitschrift für Physik 88 161–77

[10]      Fermi E 1934 Tentativo di una Teoria Dei Raggi β Il Nuovo Cimento 11 1–19

[11]      Weinberg S 1967 A Model of Leptons Physical Review Letters 19 1264–1266

[12]      UA2 Collaboration (M. Banner et al.) 1983 Observation of single isolated electronsof high transverse momentum in events with missing transverse energy at the CERN anti-p p collider Physics Letters B122 476–85

[13]      UA1 Collaboration (G. Arnison et al.) 1983 Experimental observation of lepton pairsof invariant mass around 95 GeV/c2 at the CERN SPS collider Physics Letters B126 398–410

[14]      UA2 Collaboration (P. Bagnaia et al.) 1983 Evidence for Z0 ---> e+ e- at the CERN anti-p p Collider Physics Letters B129 130–140

[15]      Glashow S L, Iliopoulos J and Maiani L 1970 Weak Interactions with Lepton-Hadron Symmetry PhysicalReview D2 1285–1292

[16]      Gell-Mann M 1962 Symmetries of Baryons and Mesons Physical Review 125 1067–84

[17]      Fritzsch H, Gell-Mann M and Leutwyler H 1973 Advantages of the color octet gluon picture Physics Letters B47 365–368

[18]      D0 Collaboration (S. Abachi et al.) 1995 Observation of the Top Quark Physical Review Letters 74 2632–2637

[19]      DONUT Collaboration (K. Kodama et al.) 2000 Observation of tau neutrino interactions Physics Letters B504 218–224

[20]      The ATLAS Collaboration 2012 Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC Physics Letters B716 1–29

[21]      The CMS Collaboration 2012 Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC Physics Letters B716 30–61

[22]      HEWETT J L and RIZZO T O 1989 Low-energy phenomenology of superstring-inspired E6 models Physics Reports 183 193–381

[23]      Georgi H and Glashow S 1974 Unity of All Elementary-Particle Forces Physical Review Letters 32 438–441

[24]      Ross G G 2003 Grand Unified Theories (Frontiers in Physics) (Benjamin-Cummings Publishing Co., Subs. of Addison Wesley Longman, US)

[25]      Raby S 2008 SUSY GUT model building The European Physical Journal C59 223–247

[26]      Langacker P 1981 Grand unified theories and proton decay Physics Reports 72 185–385

[27]      Green M B, Schwarz J H and Witten E 2012 Superstring Theory: 25th Anniversary Edition (Cambridge Monographs on Mathematical Physics) (Volume 1) (CambridgeUniversity Press)

[28]      Green M B, Schwarz J H and Witten E 2012 Superstring Theory: 25th Anniversary Edition (Cambridge Monographs on Mathematical Physics) (Volume 2) (CambridgeUniversity Press)

[29]      Polchinski J 2005 String Theory, Vol. 1 (Cambridge Monographs on Mathematical Physics) (Cambridge University Press)

[30]      Polchinski J 2005 String Theory, Vol. 2 (Cambridge Monographs on Mathematical Physics) (Cambridge University Press)

[31]      Becker K, Becker M and Schwarz J H 2007 String Theory and M-Theory: A Modern Introduction (Cambridge University Press)


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SM关键词堆砌简史=2013情人节-1900愚人节 2013-04-18



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