LEP——大物理学中的重要装置，将用来研究粒子物理学的标准模型。它还将揭示其他的加速器所不能及的部分基础理论。
下一周，LEP——安设在欧洲原子核研究所下属的欧洲粒子物理实验室的巨型电子对撞t将投入运转。物理学家们将开始看到已花费在建造巨大的通道（massive tunnel）、巨型探测器和庞大的控制和分析计算机程序方面的数亿英镑和几万个工作年所带来的成果。LEP被称为是用来研究标准模型的完美工具，而这种模型则是宇宙的力和物质在其中进行交互作用的理论框架。标准模型用所谓的载体粒子来描述四种基本的力。引力用引力子传递，电磁力以光子为传递媒介，强力靠胶子传递，而弱力则靠所谓的矢量玻色子——W+，W-和Z0粒子来传递。物质的粒子以在六种夸克（称作上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克）和六种轻子（电子、电子中微子、μ子及其中微子和τ子及其中微子）之间进行分配的三代夸克和轻子的形式存在。所有这些粒子都有一个反物质伴随粒子（partner）。
这种对撞机可使物理学家用来验证隐藏在用从4种探测器（Aleph，Delphi，L3和Opal）得到的数据建立起来的标准模型后面的理论。它们可以探测和测量通过电子和正电子束的碰撞产生的粒子。但有人认为，LEP还可以发挥更大的作用。LEP可使我们用来研究初看起来超出了它所能及的范围的自然现象的更深层次方面的问题、这种推动力部分地是由这样一种事实造成的，即LEP的竞争者——加利福尼亚的斯坦福线型对撞机于本周，4月22日？产生重要的结果。LEP装置的高精确度使它能揭示出隐藏在超越标准模型的范围之外的更深层次的根本事实后面的更细微的效应。
物理学家喜欢验证作为标准模型的引申的预言，因为虽然这种模型能描述基础物理学的许多方面，但它却有其致命的缺点。它肯定不能称之为一种万能的理论，这种模型可以预言粒子的存在，但却不能解释它们的性质。有许多重要的参数还得由你亲手提出，因为模型本身并不能对它们作出预言。这就像瞥见突破大洋里的迎头碎浪而闪现出来的被淹没了的群山峰顶。我们知道在它们的下面总会有一些东西存在，但我们所能做到的只是测量某些峰顶并指出它们之间的相似性。我们不得不去猜测在波浪下面到底淹没着些什么东西。
LEP装置又是如何揭示超越标准模型范围之外的深层领域呢？像LEP这样的装置，可以将粒子加速，使其能量剧增。当这些粒子碰撞时，它们的能量和质量全部转化成能量。然后，这种能量又按爱因斯坦的著名公式E=mc2形成新的质量，这一点很像由蒸汽凝聚成水滴一样。自然界挑选出由于某种原因对其偏爱的“质量结构”或粒子，尽管它们的寿命可能仅有兆 - 兆秒。这些粒子接着衰变成其他的粒子，它们又再次进行衰变直到最终形成稳定的粒子为止。
物理学家理查德 · 弗因曼想出了一种用来表示在这些衰变过程中发生的情况的简便方法。利用这些弗因曼图，我们就可以将一个电子湮灭一个正电子的情况表示如下：
弗因曼图表明，在碰撞后粒子的形成取决于加速器的能量。如果粒子的质量大于由碰撞束可以得到的相当的能量时，这种粒子就不会形成。由于这种原因一种对标准模型至关重要的基本粒子——顶夸克尚未制得。
LEP装置将在能产生大量的Z0玻色子的能量下进行工作。我们期望在下一个圣诞节到来时能产生大约100，000个Z0，到1990年能产生一百万个，而到1992年能产生1千万个。为标准模型而作的许多基本测量，都要求粒子碰撞次数在1，000至10，000之间。
跟踪像Z0这样的短寿命粒子的衰变，可以使我们探测标准模型，尤其是四种力之间的关系，以及当宇宙在大爆炸中形成时它们又是如何产生的。根据我们最好的理论，当大爆炸刚发生之后，这些粒子继续以高能量状态存在。因此，事实上加速器模拟了这些初期的状态。当我们提高加速器的能量时，我们就回到了宇宙形成的初期阶段。在粒子的能量和我们在研究宇宙时所依的尺度之间也存在着一定的关系。如果提高粒子的能量，你就能发现物质结构的更精细的特征，这很像提高显微镜的功率一样。理论家用数学的对称概念来描述力粒子之间和质量粒子之间的关系，通过所谓的对称转换，一组基本粒子可以转变成另一组粒子。当能量较高或等价地距离较近和时间更接近于宇宙大爆炸时，这种对称特性就变得更加明显，事实上，理论家认为在大爆炸后的一瞬间只有一种力存在。但后来，宇宙的对称性开始“破坏”，10-43秒之后分离出引力，强力产生于大约10-43秒，而经过10-10秒后电弱力分化成电磁力和弱力。这样一来，在10-17秒之后，共出现了四种各不相同的力。
由于LEP装置是在一种能直接产生引起弱力的粒子——Z0玻色子的能量范围内进行工作的，因此我们就能够研究电磁力同弱力之间的对称性。同样，在强力同复合电弱力之间的对称性方面，也要比在能量较低时表现得更为明显。
我们还想回答的与宇宙初期的对称性有关的另一个关键问题，是粒子如何获得它们的能量。在LEP装置中，我们将着力寻找所谓的Higgs玻色子。一些人认为，正是它给予了粒子以质量。但是，就像顶夸克那样，它首先在LEP装置中出现的机会很少，因为它的形成同样也需要极高的能量。
物理学家还想揭示由标准模型伸引出来的进一步的对称性。一种没有试验支持的流行说法是“超对称性”。“物质”粒子，夸克和轻子，通过一种附加的对称与“力”粒子如光子和胶子联系在一起，而它们又会产生出进一步的超对称粒子。这些粒子的名称都以“ino”为结尾，例如光子的超对称伴随粒子叫Photino，胶子的伴粒子称为gluino。同样，它们也不可能直接产生，因为它们的质量要大于LEP装置的束能量。
尽管如此，有一种探测存在于LEP装置的能量范围之外的粒子的方法。它利用的是量子力学中的一种特别的性质，即粒子在人们想象不到会发现它们的地方具有一种很小的存在或然率。这种特性称作隧道效应。根据量子力学的或然率预言，时空结构随“虚”粒子的涨落或通过隧道效应的出现和消失而闪烁。按照海森伯的测不准原理，一个粒子的质量可以跳越出真空一段时间，而该质量乘以这段时间不得超过普朗克常数。因此，通常要在很高的能量下才会产生的粒子，由于一种能引起粒子以某种不寻常的方式进行衰变的量子起伏而可能在LEP装置的较低的能量下得到。
譬如，我们已探测到的最重的夸克是（粲夸克或）底夸克。它几乎总是存在于另外一种粒子——B介子中，而B介子又由一个与另一种较轻的夸克如像一个上夸克或下夸克配对的底夸克构成。标准模型预言，它主要衰变成一个可以在另一种名叫D介子（由一个粲夸克和较轻的夸克组成）的介子中出现的粲夸克（charmed quark）。人们已在努力地去寻找其他的非 - 粲衰变（non-charmed decay），但至今还没有人获得了确实的成功。替代衰变成一个粲夸克的常见衰变，是变成上夸克。底夸克衰变成上夸克和粲夸克的比例，是标准模型所必须具有的未知参数的两个实例。
这些衰变的发生大都是按照所谓的“旁观者图”（spectator diagrams）进行的。这很容易用费曼图加以表示。在一张旁观者图中，底夸克发生了衰变，而较轻的反下夸克则只不过是改变了它的路径。这一过程图示如下：
没有一种明显的途径，通过它底夸克能够按旁观者图衰变成任何其他类型的夸克，如像一个奇夸克。因此，探寻底夸克向奇夸克的衰变是一件很有意义的事情。原因在于，它们是通向较高能量状态的一个窗口。通过以一种受测不准原理制约的方式使质量和能量同时间对换，自然界就可以找到一种非常曲折的途径来完成这一衰变。通过一种所谓的量子色动力学（QCD）“企鹅”图（“penguin”diagram）和通过两种电磁（EM）企鹅图进行的这类衰变的三个重要例子，图示如下：
在第二种企鹅图中，底夸克通过隧道效应转变成一个顶夸克和一个W - 玻色子，但这同样必须满足测不准原理的条件，为了保持能量和动量，顶夸克射出一个光子，然后再与W - 玻色子结合形成奇夸克。这种奇夸克巧合地同“旁观者”——反下夸克一同逸去。光子——在量子力学燧道末端的光粒子——以一种γ - 射线出现。现在，如果像一些理论家所设想的那样有第四种粒子家族存在的话，就会有另一种比顶夸克还要重的夸克出现。而且按这种图示进行的底夸克衰变成奇夸克的速率就会提高约一百倍。
在第二种EM图中，光子转变成一对轻子，如一个μ - 介子和反μ - 介子。这种衰变揭示了可能出现的Higgs粒子，这种粒子有一种诱生出以其他的粒子形式存在的质量的倾向。例如，若有两对Higgs玻色子，底夸克按照它的图式衰变成奇夸克的速率也可能提高一百倍 ·
在这两种EM图中，你会发现环路可能是一个顶夸克。所产生的这种环路的相似性在很大程度上取决于顶夸克的质量：它以其5次方增加。如果你能发现这种衰变，就说明你是在超出了你的加速器的能量范围以外的能量下来研究自然界，这就正像用化学的方法也可以研究核物理一样。
人们已开始在纽约州的康乃尔大学的同步电子回旋加速器（CESR）和汉堡的DORIS加速器中寻找这些衰变。虽然他们至今尚未发现一次这样的衰变，但是他们给反应速率规定的上限正在接近人们在标准模型中所期望的值。根据由LEP装置产生的一百万或一千万次碰撞，我们将能够制约，有希望扬弃或者只要有可能甚至还可以发现超出标准模型之外的物理学。当这种情况出现时，物理学家希望标准模型的那些令人头痛的特点将会显露出它们的本来面目。这些难点包括我们对不充分的证据以及某些更深层的和更加引人入胜的事物所作的不正确的解释。
[New Scientist，1989年7月]