STEM 新闻: 缪子与粒子物理学的标准模型

标准模型

粒子物理学的标准模型是作为所有物质的基本组成部分或基本粒子的模型而建立的一种理论。这些基本粒子由4种基本力支配。标准模型使用3种基本力和基本粒子来预测发生的情况，并解释几乎所有的实验结果。

基本粒子

基本粒子是所有物质的组成部分，它们被分类为夸克或轻子。这两类粒子都是由6个相关的粒子对组成，称为一代。第一代由最轻和最稳定的粒子组成。每一代都比前一代更重、更不稳定。随着时间的推移，不太稳定的粒子会衰变得的稳定，而所有稳定的物质都是由第一代粒子构成的。

夸克

6个夸克配对，第一代是 "上夸克"（u）和 "下夸克"（d），第二代是 "粲夸克"（c）和 "奇夸克"（s），第三代是 "顶夸克"（t）和 "底夸克"（b）。夸克也有3种不同的 "颜色"，它们混合并抵消形成无色物体。

肽子

6个轻子也是以类似的方式配对的。第一代是 "电子"（e）和 "电子中微子"（𝜈e），第二代是 "μ介子"（𝜇）和 "μ介子中微子"（𝜈𝜇），第三代是 "陶氏"（𝜏）和 "陶氏中微子"（𝜏）。电子、μ介子和tau都有电荷和显著的质量，而它们的对子，即中微子，质量很小，是电中性的。

基本力

宇宙是由4种基本力控制的。强力、弱力、电磁力和引力。这些力中的每一种都有不同的强度和影响范围。引力是最弱的力，它的范围是无限的。电磁力（涉及电场和磁场）也有一个无限的范围，但它比重力强得多。强力（结合原子核）和弱力（导致核反应）的范围都很短，虽然强力是所有基本力中最强的，但弱力比重力更强。

强力、弱力和电磁力都是标准模型的组成部分。尽管引力包含在量子理论和相对论中，但它在数学上并不符合标准模型的框架。在研究粒子物理学时，引力的影响是如此之弱，以至于它对任何实验的影响都不足以完全否定标准模型。3种基本力来自玻色子。玻色子是载力粒子，之间传递离散的能量。强力由 "胶子"（g）控制，弱力由 "W和Z"（w，z）玻色子控制，而电磁力则由 "光子"（𝛾）控制。

标准模型中的错误和局限性

尽管标准模型是亚原子世界的最佳模型，但它仍然缺少几个关键部分。除了缺乏对引力（以及引起引力的假设基本粒子）的计算外，该模型没有回答关于暗物质、反物质和希格斯玻色子的问题。虽然希格斯玻色子已经被标准模型理论化，但它还没有被证明。最近，人们在缪子周围发现了一种强烈的磁性。缪子g-2实验的突破性发现可能表明标准模型是不完整的，如果这种差异被证实，这将是标准模型自创立以来第一次未能预测到一种现象。超对称性（SUSY）是一种未经证实的理论，可以解释μ介子的磁性。如果超对称理论被证实，它将是对新发现的μ介子现象和暗物质的一个合理解释。在LCB实验室，物理学家们还发现了μ介子的预期行为中的其他异常的线索。根据标准模型，μ介子应该以与电子相同的速度产生，但数据显示情况并非如此。解释LCB和g-2实验数据的一些假设性理论包括Leptoquark模型和Z'Boson。随着这两个实验的更多数据被公布，标准模型最终可能被支持或被推翻。

引自:

1. The Standard Model: https://home.cern/science/physics/standard-model

2. DOE Explains...the Standard Model of Particle Physics (U.S Dept. of Energy; Office of Science): https://www.energy.gov/science/doe-explainsthe-standard-model-particle-physics

3. What’s next for physics’ standard model? Muon results throw theories into confusion (Nature): https://www.nature.com/articles/d41586-021-01033-8

Translated into Mandarin by Han Yuyi