标准模型 U(1)规范对称自发破缺机制

从相互作用是由场（或场的量子）来传递的观念出发，统一地描述和揭示基本相互作用的共同本质和内在联系的物理理论。

迄今人类所知的各种物理现象所表现的相互作用，都可归结为四种基本相互作用，即强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。

11維超引(重)力-來源圖阐明自然界各种相互作用的性质和规律，本是物理学基础研究的一个极其重要的方面。

而追求建立相互作用的统一理论，则是出于对物质世界的统一和谐的坚定哲学信念和要竭力探求事物内在本性的顽强欲望。

A.爱因斯坦把他后半生的精力献给了这一事业。

在他的深刻思想的影响下，统一场论已成为20世纪物理学的重要研究方向。

早期的（引力－电磁）统一场论研究19世纪中叶J.C.麦克斯韦的电磁场理论统一了电的作用和磁的作用；它是历史上第一个几种相互作用的统一理论。

20世纪初，爱因斯坦破除I.牛顿的引力论中超距作用观念，把场的观点引进引力理论而创立了广义相对论(1916)。

其后不久，便出现了以统一引力场和电磁场为目标的统一场论研究热潮，而当时人类知道的基本相互作用只有引力作用和电磁作用。

由于在广义相对论中引力场被描述为时空的弯曲，因此，设法进一步把电磁场也和时空的其他几何属性联系起来，便成为那时统一电磁作用和引力作用的各种理论方案的中心思想。

例如，H.韦耳把电磁场和时空的尺度变换相联系；T.F.E.卡鲁查和A.克莱因则把电磁势当作五维时空度规张量的部分分量；而爱因斯坦则将时空的度规或联络从对称的推广为不对称的，然后把不对称部分同电磁场联系起来。

物理学的几何化，可说是早期统一场论研究的一大特色，此外，所有这些理论方案都只考虑经典场论（即宏观的引力和电磁现象），没有涉及场的量子效应。

经过大约20年的努力，所有统一电磁场和引力场的尝试都没有获得成功，但对于数学中微分几何的发展却有很大推动。

随着量子论的兴起，物理学主流转入微观领域，早期统一场论的研究到30年代末渐趋衰落，只有爱因斯坦坚持不懈直至逝世。

故有此名，其作用范围
精细结构常数小103倍。

这个比例反映了两种作用在低能下强度的差别。

弱作用流的具体形式，总结建立了普适费密型弱相互作用理论。

但是费密作用的场论是不可重正化的，无法计算微扰论的高阶效应。

把费密作用的形式用于高能量还有其他原则性的困难，因此费密作用不能作为弱相互作用的基本理论。

另一方面人们注意到弱相互作用与电磁相互作用虽然很不相同，却又有相似之处。

弱作用流与电流一样是守恒的，它们之间还有以对称性相联系的关系。

因此在60年代末提出了弱作用和电磁作用统一的规范理论（见电弱统一理论）。

这种理论描述轻子和组成强子的夸克以及一些称为黑格斯粒子（见黑格斯机制）的自旋为零的粒子与统一的电-弱规范场的相互作用。

这是一种规范对称性自发破缺的理论。

理论中有一个规范粒子无质量，它是传递电磁作用的光子,其余的规范粒子得到质量,它们是传递弱作用的粒子，称为中间玻色子。

这种理论把似乎没有关系的自然界的两种基本相互作用联系起来，而且是可重正化的。

标准的电弱统一规范模型与所有低能的弱作用实验结果一致。

理论中预言的中间玻色子也已于1983年发现。

因此电弱统一规范理论正确地描述了弱相互作用。

2、希格斯机制的由来2、希格斯机制的由来对称是美的，完美的对称只有唯一的一种相互作用，世界也就变得单调而乏味。

标准模型包含费米子及玻色子两类-费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不兼容原理（这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态）的粒子；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不兼容原理。

简单地说，费米子组成物质的粒子，而玻色子负责传递各种作用力。

电弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合并为一。

这些理论都基于规范场论，即把费米子跟玻色子配对起来，以描述费米子之间的力。

由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变，所以这些中介玻色子就被称为“规范玻色子”。

标准模型所包含的玻色子有：负责传递电磁力的光子；负责传递弱核力的W及Z玻色子；负责传递强核力的8种胶子。

希格斯子也是一种玻色子，然而它与上述这些规范玻色子不同，希格斯粒子负责引导规范变换中的对称性自发破缺，是惯性质量的来源，因此并不是规范玻色子。

在研究过程中，杨-米尔斯方法无论应用到弱还是强相互作用中所遇到的主要障碍就是质量问题，由于规范理论规范对称性禁止规范玻色子带有任何质量，然而这一禁忌却与实验中的观测不相符合，如果不能解决质量问题，将使得整个研究失去基础。

一开始人们试图通过自发对称破缺机制，即打破规范理论中对拉氏量对称性的严格要求，使得物理真空中的拉氏量不再满足这种对称性，然而到了1962年，每一个自发对称性破缺都被证明必定伴随着一个无质量无自旋粒子，这无疑也是不可能的。

当1995年3月2日，美国费米实验室向全世界宣布他们发现了顶夸克时，一套称之为标准模型的粒子物理学模型所预言的61个基本粒子中的60个都已经得到了实验数据的支持与验证，看上去标准模型马上就要获得决定性的胜利，对物质微观结构的探索已经到达了它的尾声，似乎人类也马上就要听到这一跌宕起伏的，充满了高潮与华彩的探索乐章的终曲，但是仍然有一个粒子，游离在这座辉煌的大厦之外，仿佛一个幽灵，这就是希格斯粒子，而且就是这个粒子可能会击垮整座大厦。

导读：自然界有四大基本作用力：强力、弱力、电磁力，科学家知道它们的作用效果，但是如何从本质上去诠释它们呢？这就需要粒子物理标准模型了，简单的说这个模型就是从本质上去诠释这四种相互作用力（引力目前除外）。

对于物质的基本组成大多数人了解的就是分子，再细一点就是原子或者是质子、中子。

而组成中子、质子一类的还有更基本的粒子，这些粒子也属于标准模型中的组成了。

62种基本粒子：一、轻子（12种）{轻子主要参与弱作用，带电轻子也参与电磁作用，不参与强作用。

}01、电子。

02、正电子（电子的反粒子）03、μ子。

04、反μ子05、τ子。

06、反τ子07、电子中微子。

08、反电子中微子09、μ子中微子。

10、反μ子中微子11、τ子中微子。

12、反τ子中微子二、夸克（Quark，层子、亏子）(6味×3色×正反粒子=36种)13、红上夸克。

14、反红上夸克15、绿上夸克。

16、反绿上夸克17、蓝上夸克。

18、反蓝上夸克19、红下夸克。

20、反红下夸克21、绿下夸克。

22、反绿下夸克23、蓝下夸克。

24、反蓝下夸克25、红粲夸克。

26、反红粲夸克27、绿粲夸克。

28、反绿粲夸克29、蓝粲夸克。

30、反蓝粲夸克31、红奇夸克。

32、反红奇夸克33、绿奇夸克。

34、反绿奇夸克35、蓝奇夸克。

36、反蓝奇夸克37、红顶夸克。

38、反红顶夸克39、绿顶夸克。

40、反绿顶夸克41、蓝顶夸克。

42、反蓝顶夸克43、红底夸克。

44、反红底夸克45、绿底夸克。

46、反绿底夸克47、蓝底夸克。

48、反蓝底夸克三、规范玻色子（规范传播子）（14种）49、引力型-中性胶子(Ⅰ型开弦) 上夸克-上夸克50、引力型-中性胶子(Ⅰ型开弦) 反上夸克-反上夸克51、磁力型-中性胶子(Ⅰ型闭弦) （反）下夸克-（反）下夸克52、磁力型-中性胶子(Ⅰ型闭弦) 夸克-反夸克53、阳电力型胶子上夸克-下夸克54、阴电力型胶子上夸克-下夸克55、阳电力型胶子反上夸克-反下夸克56、阴电力型胶子反上夸克-反下夸克57、光子（光量子）58、引力子（还是一个假设）59、W+玻色子60、W-玻色子61、Z玻色子62、希格斯玻色子Higgs Boson但细心的朋友会发现，这61种粒子里面，不包含我们经常见到的粒子。

标准模型理论121002009 刘雪燕在粒子物理学里，标准模型是一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。

它隶属量子场论的范畴，并与量子力学及狭义相对论相容。

到目前为止，几乎所有对以上三种力的实验的结果都合乎这套理论的预测。

历史背景现在普遍认为对于标准模型的最初研究是谢尔登·格拉肖在1960年发现的电弱相互作用。

在1967年，史蒂芬温伯格和阿卜杜勒·萨拉姆将希格斯机制引入格拉肖的弱电理论，形成了我们现在看到它的形式。

希格斯机制被普遍的认为能够解释粒子的质量来源，包括了玻色子，费米子（夸克，轻子和重子）。

1973年发现了由Z玻色子引起的弱中性流之后，电弱理论被广泛的接受。

由此贡献，萨拉姆和温伯格获得了1979年的诺贝尔奖。

W和Z玻色子在1981年被实验所发现，而他们的质量已经被当时所逐步建立的标准模型预言了标准模型的内容标准模型共61种基本粒子，根据自旋分成分为费米子和玻色子两大类，费米子（指组成物质的粒子，如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子），有半整数自旋（如1/2，3/2，5/2等），玻色子（指传递作用力的粒子，如传递电磁力的光子、介子、传递强核力的胶子、传递弱核力的W和Z玻色子）有整数自旋（如0，1，2等）。

自旋的差异使费米子和玻色子有完全不同的特性。

费米子拥有半整数的自旋并遵守泡利不兼容原理；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不兼容原理。

简单来说，费米子就是组成物质的粒子而玻色子则负责传递各种作用力。

电弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合并为一。

这些理论都是规范场论，即它们把费米子跟玻色子（即力的中介者）配对起来，以描述费米子之间的力。

由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变，所以这些中介玻色子就被称为规范玻色子。

标准模型所包含的玻色子有：胶子- 强相互作用的媒介粒子，自旋为1，有8种光子- 电磁相互作用的媒介粒子，自旋为1，只有1种W及Z玻色子- 弱相互作用的媒介粒子，自旋为1，有3种Higgs粒子- 引导规范群的自发对称性破缺，与费米子有汤川耦合，亦是惯性质量的源头。

希格斯玻色子希格斯玻色子希格斯玻色子（或称希格斯粒子、希格斯子Higgs boson）是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，至今尚未在实验中观察到。

它也是标准模型中最后一种未被发现的粒子。

物理学家希格斯提出了希格斯机制。

在此机制中，希格斯场引起自发对称性破缺，并将质量赋予规范传播子和费米子。

希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发，它通过自相互作用而获得质量。

2012年7月2日，美国能源部下属的费米国家加速器实验室宣布，该实验室最新数据接近证明被称为―上帝粒子‖的希格斯玻色子的存在。

标准模型给出了自然界四种相互作用中的电磁相互作用和弱相互作用的统一描述，但是在能量低于一定条件后，电磁相互作用和弱相互作用将呈现为不同的相互作用，这被称为电弱相互作用的对称性自发破缺。

希格斯粒子就是在标准模型解释电弱对称性自发破缺的机制时引入的。

研究背景英国物理学家希格斯（P.W.Higgs）提出了希格斯机制。

在此机制中，希格斯场引起电弱相互作用的对称性自发破缺，并将质量赋予规范玻色子和费米子。

希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发，它通过自相互作用而获得质量。

欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(Large Hadron Collider，简称LHC)将有机会发现希格斯粒子。

上帝粒子--希格斯粒子希格斯玻色子被认为是物质的质量之源，―上帝粒子‖是1988年诺贝尔物理学奖获得者莱德曼对希格斯玻色子的别称。

这种粒子是物理学家们从理论上假定存在的一种基本粒子，目前已成为整个粒子物理学界研究的中心，莱德曼更形象地将其称为―指挥着宇宙交响曲的粒子‖。

自1899年汤姆逊爵士发现电子开始，直至如今，在一个多世纪的时间里，人类一直孜孜不倦的探索着微观欧洲核子研究中心大型强子对撞机世界的奥秘。

1995年3月2日，美国费米实验室向全世界宣布他们发现了顶夸克时，一套称之为标准模型的粒子物理学模型所预言的62个基本粒子中的61个都已经得到了实验数据的支持与验证，看上去标准模型马上就要获得决定性的胜利，对物质微观结构的探索已经到达了它的尾声，似乎人类也马上就要听到这一跌宕起伏的，充满了高潮与华彩的探索乐章的终曲，但是仍然有一个粒子，游离在这座辉煌的大厦之外，仿佛一个幽灵，这就是希格斯粒子，而且就是这个粒子可能会击垮整座大厦。

目录摘要 (II)关键词 (II)0 引言 (1)1 标准模型简介（电弱相互作用的W-S-G模型） (1)1.1规范场部分 (1)1.2费米子部分 (1)1.3标量场部分 (2)1.4 Yukawa相互作用 (3)1.5 对称性自发破缺 (3)1.6 Higgs机制 (6)1.7 电磁相互作用与弱相互作用的统一性. (6)2 标准模型中存在的问题 (7)2.1 太多的自由参数 (7)2.2 不自然性问题 (7)2.3 费米子问题 (8)2.4 中微子问题 (8)2.5 宇宙暗物质问题 (10)3 标准模型的完善 (10)3.1 Little Higgs模型 (10)3.2 超对称模型 (11)3.3 额外维 (12)3.3.1大额外维模型 (13)3.3.2弯曲的额外维 (13)4. 结语 (14)参考文献 (14)致谢 (15)粒子物理标准模型的缺陷及其完善摘要标准模型(SM)是描述基本粒子强相互作用和电弱相互作用的规范理论。

本文简单介绍了标准模型的基本结构，指出标准模型存在的不自然性问题、中微子问题以及自由参数太多等问题。

进而，介绍了几个重要的新物理模型.关键词中微子；暗物质；标准模型；完善The flaws and perfection of the standard model of particlephysicsAbstractThe Standard Model(SM) is a gauge theory to describe strong and electroweak interactions ofelementary particles. This paper briefly introduces the basic structure of the standard model, point out thestandard model in the presence of unnatural problems, neutrino problems as well as free parameters is too much wait for a problem. Then, introduces several important new physical model.KeywordsNeutrino; dark matter;standard model; perfection0 引言目前，粒子物理的理论和实验都是围绕着标准模型进行的，该γ)1()2()3(U SU SU L C ⨯⨯规范理论可以描述各种微观粒子之间的强、弱和电磁相互作用，并且通过Higgs 机制来实现将对称性破缺到em C U SU )1()3(⨯。

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百科名片希格斯玻色子希格斯玻色子是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，至今尚未在实验中观察到。

它也是标准模型中最后一种未被发现的粒子。

物理学家希格斯提出了希格斯机制。

在此机制中，希格斯场引起自发对称性破缺，并将质量赋予规范传播子和费米子。

希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发，它通过自相互作用而获得质量。

2012年7月2日，美国能源部下属的费米国家加速器实验室宣布，该实验室最新数据接近证明被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在。

中文名： 希格斯玻色子外文名：H iggs boson 别称外号： 希格斯粒子，希格斯子，上帝粒子提出者： 彼得·希格斯（P .W.Higgs ） 目录简介诠释研究背景研究历史理论物理理论方程简式标准模型其他模型验证成果萍踪难觅最新发现相关著作进展博客传闻或被发现诡异情况发现踪迹接近证明展开简介诠释研究背景研究历史理论物理理论方程简式标准模型其他模型验证成果萍踪难觅最新发现相关著作进展博客传闻或被发现诡异情况发现踪迹接近证明展开编辑本段简介诠释标准模型给出了自然界四种相互作用中的电磁相互作用和弱相互作用的统一描述，但是在能量低于一定条件后，电磁相互作用和弱相互作用将呈现为不同的相互作用，这被称为电弱相互作用的对称性自发破缺。

希格斯粒子就是在标准模型解释电弱对称性自发破缺的机制时引入的。

研究背景1964年，英国物理学家彼得·希格斯（P.W.Higgs）发表了一篇学术理论文章，提出一种粒子场的存在，预言一种能吸引其他粒子进而产生质量的玻色子的存在。

他认为，这种玻色子是物质的质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础，其他粒子在这种粒子形成的场中游弋并产生惯性，进而形成质量，构筑成大千世界。

2012年7月4日，当欧洲核研究组织宣布发现一种与“上帝粒子”“一致”的亚原子粒子时，希格斯说，“难以置信”。

1979年诺贝尔物理学奖1979年物理学奖，由三位物理学家分享，他们是美国的谢尔顿·格拉肖（Sheldon L.Glashow）、史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）和巴基斯坦的阿布杜斯·萨拉姆（Abdus Salam），以表彰他们关于基本粒子间弱相互作用和电磁作用的统一理论（电弱统一理论）的贡献，并预言了弱中性流的存在。

谢尔顿·李·格拉肖（Sheldon Lee Glashow，1932—），出生于美国纽约。

父亲为了躲避沙俄对犹太人的迫害，年轻时从俄国移居到美国，当了一名管钳工。

格拉肖有两个哥哥，比他大十几岁。

父母和哥哥都很喜欢他，给他创造了较好的条件，让他学习科学。

他在家里的地下室有自己的化学实验室，从小就对科学有强烈的兴趣。

1947年格拉肖进纽约的布朗克斯理科中学，温伯格是他的同窗好友。

格拉肖酷爱读书，并组织了一个科学幻想俱乐部，出版了中学科学幻想杂志。

1950年，格拉肖和温伯格一起进入康奈尔大学。

格拉肖对那里的本科教学不大满意，因为有名的教授都去给研究生开课，于是就在三四年级时选修了经典电磁理论、量子场论之类的研究生课程，他还经常参加学术报告会。

和中学时一样，他喜欢和同学们讨论问题。

1954年，格拉肖大学毕业，进入哈佛大学，选择了著名物理学家施温格当自己的导师。

在施温格的指导下，格拉肖选择“基本粒子衰变中的矢量介子”作自己的博士论文题目，1958年获得博士学位。

后得到一笔美国科学基金会的资助，去丹麦的理论物理研究所，在那里做1了两年的研究工作。

就是在这段时期，他发现了关于弱电统一理论的SU（2）×U（1）模型。

这项重要工作实际上在做博士论文时就已有准备，他在论文附录中就提到了电弱统一的思想，而这一思想正是他的导师施温格首先倡导的。

1956年，施温格就已开始考虑电弱统一理论。

这件事的由来还应追溯到李政道和杨振宁对弱相互作用中宇称不守恒的发现。

第2章规范对称性§粒子物理中的对称性在粒子物理理论研究中对称性起着重要作用。

所谓对称性，简言之，就是一个物理系统在某种变换下具有不变性。

存在各类不同类型的对称变换，能够按照变换所涉及的对象和变换的性质来对对称性进行分类。

在粒子物理学中最多见的对称变换大致可分为如下两类：1．离散变换现在变换参数只取分立值。

在粒子物理中最具代表性的分立变换是空间反演变换：P，电荷共轭变换：C时刻反演变换：T咱们明白对于电磁彼此作用和强彼此作用，在P、C、T别离变换下，它们都维持不变。

但是弱彼此作用破坏了P、C和CP对称性。

2．持续对称性若是变换参数取持续值，则对应持续变换。

一个典型的持续变换是转动变换：()θR，这里转动角θ可持续取值。

持续变换的类型很多，在粒子物理上最多见的有两类，它们是时空对称性：最具代表性的时空对称性是Lorentz 变换和时空平移变换下，物理规律维持不变。

内部对称性：一种作用在场的内部空间，且使场系统维持不变的对称性。

这种对称性是属于场和粒子的独立于时空性质的某种变换，其对称性给出标志粒子态的某些量子数，如电荷、轻子数、重子数和同位旋等。

典型的例子是()Q U 1、()L U 1，()B U 1和()isospin SU 2变换等。

3． 内部对称性的分类有两种不同类型的内部对称性，它们是● 整体内部对称性：持续转变的参数不依赖于时空坐标。

例如()2SU 同位旋对称性、()3SU 味对称性、()B U 1重子数对称性、()L U 1轻子数对称性。

● 定域（规范）对称性：持续转变的参数与时空坐标有关。

例如()em U 1对称性、()L SU 2弱同位旋对称性、()Y U 1弱超荷对称性、()C SU 3颜色对称性等等。

将Noether 定理和规范原理别离应用于以上两种不同的内部对称性，可取得以下重要的物理结论：对于整体内部对称性，按照Noether 定理，将存在相应的一个或多个守恒量。

标准模型在粒子物理学里，标准模型（英语：Standard Model, SM）是一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。

它隶属量子场论的范畴，并与量子力学及狭义相对论相容。

到目前为止，几乎所有对以上三种力的实验的结果都合乎这套理论的预测。

但是标准模型还不是一套万有理论，主要是因为它并没有描述到引力。

历史背景现在普遍认为对于标准模型的最初研究是谢尔登·格拉肖在1960年发现的电弱相互作用。

在1967年，史蒂芬温伯格和阿卜杜勒·萨拉姆将希格斯机制引入格拉肖的弱电理论，形成我们现在看到它的形式。

希格斯机制被普遍的认为能够解释粒子的质量来源，包括玻色子、费米子（夸克，轻子和重子）。

1973年发现由Z玻色子引起的弱中性流之后，电弱理论被广泛的接受。

由此贡献，萨拉姆和温伯格获得1979年的诺贝尔奖。

W和Z玻色子在1981年被实验所发现，而他们的质量已经被当时所逐步建立的标准模型预言了。

至于强相互作用的理论，大多在1973-74年做出进步：那会儿正是有关实验得出成果的时候。

强子所带的分数电荷也是那时候验证的。

标准模型的内容标准模型共61种基本粒子（见表）包含费米子及玻色子——费米子为拥有半奇数的自旋并遵守泡利不相容原理（这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态）的粒子；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不相容原理。

简单来说，费米子就是组成物质的粒子而玻色子则负责传递各种作用力。

基本粒子种类世代反粒子色总计夸克 2 3 成对 3 36轻子 2 3 成对无色 12胶子 1 1 自身8 8W粒子 1 1 成对无色 2Z粒子 1 1 自身无色 1光子 1 1 自身无色 1希格斯粒子1 1 自身无色 1总计61电弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合并为一。

这些理论都是规范场论，即它们把费米子跟玻色子（即力的中介者）配对起来，以描述费米子之间的力。

由于每组中介玻色子的拉格朗日函数在规范变换中都不变，所以这些中介玻色子就被称为规范玻色子。