W粒子和Z粒子尽管已经被发现，但是统一理论方面尚未解决的问题，仍然堆积如山。大统一模型虽然解决了其中几个，但是有关凝聚机理的问题却越来越变得令人费解。这篇文章，将把统一理论基础上存在的困难提出来，并谈到质子的衰变和磁单极子的实验情况，以探讨统一理论和超高能物理学的未来前景。

为什么WS理论不可能是最终理论

经过过去十年的努力，已经得到验证的是WS模型所预言的W粒子的质量和Z粒子的（作用）力。这些事是可以从W与Z方面，也就是当追究到它们的本源时，它们本是质量为零的“规范（Gauge）粒子”这一理论中直接推导出来的性质，这是WS模型所具有的美丽的一面。另一方面，世界上，在规范粒子之外，还存在着夸克（Quark）和轻子（Lepton）那样称为“物质粒子”的粒子。不妨请读者回想一下，在WS模型中，曾经导入过一种被称作黑格斯（Higgs）的粒子这一件事。黑格斯粒子是对规范粒子成为赋予质量的原因的，其自旋度为0的粒子。在黑格斯粒子（H）不凝聚的世界上，物质粒子具有质量这件事也是被理论框架所禁止的，故物质粒子的质量也是H粒子的凝聚所产生出来的（图1）。物质粒子质量的大小，可以解释为，这是由于物质粒子和凝聚状态下的H粒子之间耦合的强弱程度不同所造成。H粒子和规范粒子的耦合，完全由规范理论所决定，而H和物质粒子的耦合强度则与此不同，它不受规范原理方面的任何制约。就是说，在模型中，没有办法来预言物质粒子的质量。在实验中，每逢找到新的夸克和轻子时，除了从质量的实验值等方面来决定它们和黑格斯粒子间的耦合别无办法。我们能只用两个未知数g和g'把规范粒子力作出叙述，但当对于现在存在的物质粒子（假定也还有预想得到的t的夸克）进行叙述时，却必须引进20个未知数，进行实验后作出决定。不仅如此，即使已从SU（2）的理论构造上知道，物质粒子和H粒子是各以每两个一组而存在于世，但对它们全部应该具有多少组这一件事，WS模型却不具备这方面的预言能力。我们不能不说，这里存在着确实很麻烦而又丑陋的另一个方面。

并且，对为什么H去凝聚起来的这一种必然性问题，现在也并没有能够作出说明，仅仅只不过是以H类粒子之间的相互作用，不会受到规范原理的制约，作为一项方便手段，而把它的大小和符号适当地予以选择，以便凝聚起来而制造成模型。因此，即便在H的质量方面也是任何确切可靠的事都说不上来。所谓H粒子，只是想象中的产物，也许其它某些事物是其构成质量的原因。如果H粒子实际上能够生成起来而又能被观测到的话，就不会有什么异议。可是在目前，还没有任何实验上的证据。我们可以预料，生成H粒子这件事是不容易的了这种情H是同W和Z并不一样，即使能生成，却连判定它是否已经生成都是困难的。在目前，不妨说，黑格斯粒子H，只是把WS模型中许多尚未解决的问题，犹如一种玩偶箱式的东西那样胡乱地硬塞了进去而已。

如果深一步涉及到能量基级上来看，那么，对于WS模型并不是终极理论的这种说法，是会令人首肯的。电子和质子的电荷，其符号相反而大小则相等。没有离子化起来的物质的集合体，在电性质上属于中性，根据这一事实，电荷值的大小和符号是能够以极高的精度成立起来。在基本粒子能级方面，若设电子的电荷为-1，则夸克电荷必然正确的是2/3和-1/3。WS模型虽然能够作为实验的事实来接受这一结论，然而却不能说明为什么会成为这样。如果是终极性的理论，那么就希望它能根据理论框架来确定一切粒子的电荷。而WS模型所具有的这种暧昧性，或者非一义性，就是因为模型是从两种规范粒子出发，亦即从W^±、W°的SU（2）的规范粒子和B的U（1）的规范粒子出发，允许两个耦合常数g和g'存在的缘故。这两个耦合常数的比值tanθ_w= g' /g，正如前稿中所叙述，必须根据实验来确定才行。如果仅仅从一种规范粒子出发，那么，这样的自由度就不会遗留下来，所有粒子的电荷，都是把电子的电荷作为-1，而这样就当然能毫不含糊地作出决定。在这种场合下，电荷的比不外乎只能是“被一般化了的克莱布什——戈丹（Clebsch-Gordan）系数”。当我们作出这种看法时，WS模型就并不是电磁力和弱力的“统一模型”，也许称它为“混合模型”毋宁更为恰当。只有由一种同一种类的规范粒子所相互共同构成的模型，才能称之为真正的“统一模型”。

大统一模型SU（5）

在采用了WS模型所取得的成就之后，为了把W、Z、γ全部都纳入同一种规范粒子的种类中，如果采用数学语言来说，就是包含作为部分群的SU（2）× U（1）在内的大规范群，就可以创建模型理论。物质粒子也可以在这个大规范群中进行分组。但是，最理想的办法是建立简洁模型。简洁模型应该尽可能不要导入未知的新粒子。在无法避免引进未发现的粒子的场合下，那么，应当认为，这些新粒子不会重到与实验之间发生矛盾的程度才合适。

能够满足这些条件的大统一模型，是1974年由乔治（Georgi）和格拉肖（Glashow）提出的SU（5）模型。物质粒子可以分为两个群团，亦即以五个作为一组同伙的SU（5）的5因次表现）

可见，加入到10因次伙伴同类中的U_红R，放出W⁺而想变成d_红R的话，那么，由于d_红R是属于5因次一类的伙伴因而就要被禁止。这种RL的非对称性，意味着宇称不守恒。虽然这里并没有能对宇称不守恒性给以根本性的说明，但是，看起来好像还是有点道理的。

在夸克吸收放出规范粒子，而变成同组的电荷同样的夸克时，此时的规范粒子是什么呢？它不外乎就是，成为强力基本相互作用根源的胶子（gluon）（胶的粒子g）。在胶子g中，存在着“色”量子数各不相同的8种粒子，这是大家都已熟知的事。

那样产生质子的衰变。由于质子衰变等过程频繁地发生的方面是很不好的，因而X的力量，必须是极其微弱的力量，可是X是与W、Z、γ为相同的规范粒子同类伙伴，其吸收、放出的强度是已经知道的，因此，如想做到X力很弱，就会得出这样一种结论，亦即X的质量大到出奇的程度，而X的力所到达的距离，较之质子内夸克的平均距离，还要短得非常多。而为了给X以巨大的质量，则沿袭WS模型的方法，把那种和H不同的黑格斯粒子Φ添加给它，使其强力地凝聚，只要能做到凝聚后的Φ即使被X所吸收，而对WZ_γg则不会被它所吸收就行了。

这就是大统一理论的基本设想，但是，由于把夸克和轻子纳入同一类粒子的伙伴中，避免了多余的粒子，而且连强相互作用都一起统一了起来，因而，不可能避免那可以改变夸克数的质子衰变那样的过程。

如果支持大统一模型的设想，就有一个能够作出解释的关于定量上的预言。在10^-29cm之内的对称性世界中，W^±、W°的耦合强度g和B的耦合强度g'，除去SU（5）的克莱布什——戈丹系数之比，是相等的，但若把在10^-29cm外侧，由于感应效应而集聚起来的“电荷”的效应加进去，试行计算10^-14cm附近的g和g'的有效值，那么，就可以得到用sin²θw表示的值。

sin²θw=0.212±0.004 （6）

是否是偶然的巧合，姑且不论。这一数值是和那由中微子的中性流动反应所决定的测定值0.234±0.013非常接近。这就是到目前为止，所获得的在理论上和实验上唯一的接近点。如果以此作为实验上的验证，也许太薄弱了些。由于建设一个10¹⁵GeV的加速器是绝对办不到的事，因而测定质子的衰变实验是必不可少的实验。

质子真的会衰变吗？

如果运用运动守恒定律，即使竭尽全力区分这个过程，如若质子的寿命是10³³年以上的话，那么，这一测定工作，大体上是几乎不可能做到的。所幸的是，因为预言中的质子的寿命，只比这个数值短少到仅仅只是1位或2位数目，因而世界各地的实验集团，都纷纷地奔向这一实验征途。

领先的是已在印度柯拉尔（Choral）金矿中进行宇宙线实验的日本和印度科学家组成的协作组，该组曾发表他们已就可以解释为质子衰变的现象观测到了3个事例，把质子的寿命推算为

τ=7×10³⁰年 （8）

其次是欧洲组，他们正在意大利、法国边境的阿尔卑斯山脉勃朗峰的隧道中进行实验，最近，他们也声称，观测到一个大概是这种现象的事例。在日本国内，也正在神岗矿山中开始进行实验。在所有的实验小组中，堪称规模最大的是阿巴依 · 米希根 · 布鲁克海文（Brookhaven）的协作组。他们是在美国克利弗兰德（Cleveland）附近的岩盐矿中，事先把闪烁体沉浸在贮有8000吨纯水的水槽内，做好一切准备正在静待着质子衰变事项的出现。实验开始后，经过大约3个月，发表了一个中间实验报告，报告说，没有能观测到好像是质子衰变的事像，因此给出质子寿命的下限为

τ＞6.5×10³¹B年 （9）

式中，B是p→π°+e⁺的衰变分支比，根据计算，可以预想到因此，寿命的下限业已达到2×10³¹年。我们从统计精度上来看，超过这一数值的实验还未曾有过，因而相信（9）式是可靠的，如果真如此，则这个SU（5）大统一模型就被置于微妙的立场上。但当考虑到寿命计算中所含有的误差，以及对SU（5）进行修正而把寿命略予延长的可能性时，那么，即使寿命在10³²年以上，而实际上，如果质子发生衰变的话，还是可以说，已经查实证明了大统一模型的基本设想具有正确性。

宇宙的起始——是大统一模型的实验室吗？

10¹⁵GeV的超高能区，在加速器上是不可能达到，可是在过去，却曾经有过仅只一次实现过这样高的能量。现在的宇宙，是距今约150亿年前，由大爆炸起始的，爆炸后，物质以均质而且各向同性继续膨胀，从无限高的温度冷却下来。3 K辐射的存在和宇宙空间氦的密度，已经说明了这一过程。关于能够验证10¹⁰K（在能量方面相当于1 MeV）以上的早期宇宙的确切的实验事实，虽然还什么也没有，然而如果外推上去直到靠近时刻零的时候，那么空间全体的总能量可以满足10¹⁵GeV以上的一瞬时间，是应该有过的。

在高温空间，所成对生成的许多高能粒子，修正了黑格斯粒子间的力，而把凝聚机理改变掉了，并在某个温度以上时，凝聚也就完全消失而不再存在。WS模型的H凝聚是在数百GeV时消失掉，Φ的凝聚则在10¹⁵GeV以上时消失掉，也就是说，随着温度的变化，真空的性质会骤然完全改变。

如果根据场量子论来计算真空的能量，那么，由于量子的波动，也就是由于粒子对的生成和消灭之故，一般都能得到无限大这样一个答案。但若把那作为测量能量的基准的零，选为真空所具有的能量，采用把其它状态的能量与这个基准值的差来作出定义，那么，在记述基本粒子现象的范围内是不会有任何矛盾，也不会有任何困难。但是，如果把重力现象考虑进去，那就成为另一个问题了。真空的能量是零，或者不是零，将使宇宙的膨胀变成完全不同的样子。现在的宇宙是按照哈勃（Hebbel）的膨胀定则，随着时间t的增长而以t^2/3进行膨胀。如果真空的能量不是零而具有一个正数值，那么，就在那代表膨胀定则的一般相对论的公式中，增加了一个叫做宇宙项的常数项，才成为等价，而宇宙就必须按指数函数膨胀起来。因此，在H和Φ双方都已经凝聚的现在，不但要求其真空能量必须是有限的，而且还要求它在实验事实中确实正好是零。或者是只要求在一般相对论的公式中预先存在着负值的宇宙常数项，而它则已经把真空能量，以10¹⁰⁰分之一那样超出想象之上的精确度互相抵消。

即使这一要求是多么不合常理，勉强苛刻，但在设想成真空只能是一个的场合下，就不可能抓住它的把柄。但是，在发生相转移的场合下，则如图4所示那样，凝聚前的真空就会具有巨大的正数值能量。这个正数值能量的真空，通过一次相转移，就可转移成能量为零的真空，不过，这种转移不会刹那之间就完成，而是在其直到转移结束为止之间，宇宙是按指数函数不断地继续膨胀。如果认真地这样来理解，那么，就不可能允许把标准宇宙论，外推到早期宇宙来对大统一模型进行论证。甚至于连WS模型的H的凝聚，尚且要产生一个能量差，这个差值会有哈勃膨胀定则所许可的真空能量上限值的10⁵⁶倍那么大。即使在大约100 MeV中所引起的夸克和反夸克对轻微凝聚，尚且会产生10⁴²倍那么大的能量差，因此，如果把标准的宇宙理论的原样来予以应用，以论证基本粒子物理，那是危险的办法。

黑格斯粒子

大统一模型的两种黑格斯粒子H和Φ的凝聚强度，是与WZ和X的质量成正比，因而相差达到10¹³之多。即使没有直接的相互作用，但在Φ和H之间，以其他粒子作为媒介的间接相互作用却是避免不了的。因此，不能把Φ和H凝聚问题分开讨论。Φ凝聚时，通过量子的波动等效应，影响H的凝聚，从而改变其凝聚值。不过尽管是这样，H的凝聚强度，同沴比较起来；只有Φ的10¹³分之一，其所以会如此者，我们不能不考虑到，由于相抵效应，而Φ的影响没有传递给H。只要没有这样相应的理由、那就只是期望10¹³分之一的侥幸心。如果把它称作物理学，那就实在太过于勉强了。

为了消除这种不自然的状态，已经有人认为，导入一种称作“超对称性”的对称性，是一个有希望的办法。所谓超对称性者，就是可以在费米（Fermi）粒子和玻色（Bose）粒子之间，导人的对称性，它要求互相对应的费米粒子和玻色粒子都已经简并化。在具有超对称性的理论方面，由于费米粒子和玻色粒子之间存在着相抵效应，于是量子的波动会有完全消失掉的情况。在利用这一点后，让大统一模型在最初就具备SU（5）的对称性和超对称性，这样，就能把Φ和H分开使之凝聚，但是，对于为什么相差达13个量级的量，会作为基本量而在最初会存在的这一问题，却不能作出解答。由于不存在那些具有与电子相同的质量和电荷，而自旋度为0的电子的兄弟们，故超对称性也是和规范对称性一样，由于黑格斯粒子的凝聚而破坏，因此，不得不解释成自旋度为0的量子兄弟是具有巨大质量的。曾经在这一方针下，试图对大统一模型进行修正，但目前尚还没有能造成一个令人满意的模型。

真空能量的不合理性，是可以通过把大统一模型塞进到那个在其超对称性中，连重力都包含在内的超重力理论中的办法来予以避免，这是由于重力所引起的真空能量是取得负值，因此就产生了把定成正数值的符号抵消而做成O的可能性。但是，上述理论还不一定能够把H和夸克 · 反夸克粒子对凝聚所引起的真空能量都一齐解决掉。超重力理论，是否能成为解决问题的线索，目前尚不明了。

1982年2月14日，设置在美国斯坦福大学卡伯来拉（Cabrera）实验室中的超电导线圈上，突然开始流动起电流。据说，如果根据电磁感应法则来计算磁通量，那么，解释成磁单极子通过了线圈，这样就能完全恰当地作出说明。但是，看起来好像是磁单极子的事像、没有第二次再出现过。这究竟是无经验者侥幸所取得的呢？还是由于什么错误而产生的呢？目前任何人都不清楚。

基本粒子物理实验的前途

在统一模型及其出发点上，当作榜样的超电导理论方面，并没有称作黑格斯粒子之类的基本粒子。凝聚起来的是被叫做库珀（Cooper pair）相连电子对。即使在统一模型中，凝聚起来者，也并不是黑格斯粒子，而大概是某种粒子对，例如夸克和反夸克粒子对吧。遗憾的是，夸克的凝聚强度却是已知的，然而，如想给出W、Z的质量未免过小，小到了三位数以上。

即使大统一模型的基本想法中，具有若干真实性，但若按照字面来理解，认为基本粒子物理已经完成，那么，这种想法是未免为时尚早，我想读者也能予以理解了吧。H的凝聚是250 GeV，这件事也就暗示了，当超过这一能量值时，就会有某种新的物理开始出现。这也许就是构成黑格斯粒子的基本粒子Q和Q所生成的Q核子（QQQ的三位一体束缚态）以及Q介子（QQ束缚态）的物理，也许会是超对称性所预言的夸克粒子和轻子的兄弟——自旋度为0的粒子，以及规范粒子的兄弟——费米粒子，也许是至今从未想象过的黑格斯粒子的新局面。根据夸克和轻子为三代，（u、d、e、v_e），（c、s、μ、v_μ），（t、b、τ、v_τ）的反复这一事实，不论谁的心中也会涌现出如下的设想，就是说，这些粒子，也许就是更基本的元粒子所组成的复合粒子吧。这样的元粒子的某些征兆，也许在250 GeV能区之上，会开始出现。SU（5）大统一模型倡导人之一的格拉肖本人就曾说过：“让成功之花开放在沙漠（250 GeV至10¹⁵GeV之间的荒芜不毛领域）之中吧。”

在粒子加速器如果是已经达到了极限的时候，应当回想到WS模型中的原子内基级电子的宇称不守恒。关于验证超高能物理，在有些场合下，也并不是一定需要有高能量。探索质子衰变和磁单极的场合，也就是一个很好的例证。此外，用原子物理仔细研究同位素，把那些存在的数量很微少的Q核子等奇妙的粒子寻找出来，也是一种方法。在这些奇妙的粒子中，理应还有不衰变而稳定的粒子，因而，这样的粒子就代替普通的核子而进入原子核中，作为原子，也会有可能具有相同的化学性质。

在超越W粒子和Z粒子质量的另些方面，是否为无边无际，连续不断的处女地呢？还是充满着新粒子的沃土呢？这就是从八十年代后期到九十年代间基本粒子物理学上的一个最大课题。

[《科学》（日），1983年第6期]