超出標準模型

描述微觀粒子基本相互作用的粒子物理標準模型包含兩個部分：描述強相互作用的量子色動力學(QCD)和描述電磁相互作用及弱相互作用的電弱統一理論。

QCD是夸克的顏色自由度的SU(3)規範相互作用理論，由膠子傳遞強作用。已有大量實驗結果支持此理論。電弱統一理論是夸克的味道自由度的SU(2)×U(1)規範理論，由光子傳遞電磁作用、W±和Z0玻色子傳遞弱作用。實驗測得W±和Z0具有質量。此理論遇到較複雜的問題。若假設理論具有完全的SU(2)×U(1)對稱性，則理論是可重正化的，可準到任意階微擾的計算，但理論中W±和Z0的質量為零，與實驗矛盾。

若理論的拉氏量（運動方程）中加入W±和Z0的質量項，則破壞SU(2)×U(1)對稱性，破壞理論的可重正化性，使高階微擾計算中出現無法控制的無窮大。解決這個矛盾的可能方案是在拉氏量中加入新的物理內容，並保持其SU(2)×U(1)規範對稱性（可重正化），但由它確定的真空態（最低能量態）不具有SU(2)×U(1)對稱性，從而使物理上觀測到的W±和Z0具有質量。這常稱為對稱性自發破缺。對稱性自發破缺現象在QCD和凝聚態物理中都有先例。標準模型中所有粒子的質量都是通過這種機制產生的。

因此，這種機制涉及一切質量的起源，這是物理學中一個非常基本而深刻的問題。粒子物理標準模型的具體做法是在拉氏量中引入一個稱為黑格斯場的標量場，並設它的自作用形式可導致電弱對稱性的自發破缺。黑格斯場激發出的中性標量粒子稱為黑格斯粒子或黑格斯玻色子，從實驗上探測到這種粒子的信息是檢驗此理論的關鍵。迄今大量實驗支持電弱統一理論中的SU(2)×U(1)規範作用部分，但一直未找到黑格斯玻色子，實驗確定黑格斯玻色子的質量限是大於114.3吉電子伏。此外還發現，引入基本黑格斯場會給標準模型帶來理論缺陷。

仔細研究標準模型的高階修正後，發現若假定標準模型適用於全能量範圍，則黑格斯場的有效自作用強度實際為零，從而不可能產生對稱自發破缺。這意味着標準模型實際上只在某個能標Λ以下才適用，超過Λ後必有新物理規律起作用。一個自然的能標Λ是引力變得重要時的普朗克能標。但若Λ為普朗克能標，則要求標準模型中的參量要準確到34位數才能得到符合實驗的W玻色子質量。這種要求在物理學中是無法實現的。可見標準模型並不完善，需要尋找更好的新物理理論。

人們設想了許多Λ能標以上的新物理模型。它們大致可分成兩類。

①保留標準模型的現有結構，引入新對稱性和新粒子來抵消黑格斯場所帶來的缺陷。最流行的是最小超對稱模型。此模型設想拉氏量具有超對稱性（費米–玻色對稱性），因而每個現有的粒子都有一個與它自旋相差1/2的超對稱夥伴。由黑格斯的超對稱夥伴來抵消上述缺陷。實驗上現在還沒有發現超對稱夥伴，所以超對稱夥伴只能很重，即超對稱性是破缺的。這樣上述缺陷的抵消就不是完全的。剩餘缺陷必須小到不嚴重的程度此模型才可被接受。這就要求超對稱夥伴的質量不超過1太電子伏，即此模型的Λ約為1太電子伏。此外，這理論中有5個可觀測的黑格斯玻色子，其中最輕的質量不超過135吉電子伏。

②改造標準模型的結構，放棄基本黑格斯場而引入新的強相互作用造成動力學的電弱對稱破缺（借鑑於QCD和超導理論）。這樣就徹底消除了基本黑格斯場引起的缺陷。多數此類模型中不含有輕的黑格斯玻色子，也有的含有輕的複合黑格斯玻色子。要能自然地得到正確的W±、Z0玻色子質量，這種新強相互作用的能標Λ也應在1太電子伏左右。歐洲核子研究中心的新對撞機LHC和未來的正負電子直線對撞機的探測能力都能達到1太電子伏範圍，因此上述所有模型不久即可受到檢驗。也有可能在新對撞機上會發現未想到的新現象。未來新對撞機上的實驗是認識基本相互作用規律的關鍵，可能會產生認識上的新突破。 ^[1]