微观世界理论的检验

电弱作用的精确检验

在过去几年，标准模型的正确性已被几个加速器上的实验所验证。LEP、SLC、Tevatron和HERA已经记录和分析了大量的资料，结果以非常高的精度确认了标准模型的所有预言，在一些例子中其精度比0.1%还好。标准模型已作为一个基本理论被建立。因此，任何更高级的理论都必须作为一种特殊情况而包含标准模型。

LEP以很高的精度测定了弱作用中性场量子Z和带电场量子W的性质。通过观测在碰撞实验中Z是如何产生的，可以把中微子种类的数目减少到2.994±0.012。这个结果意味着轻子和夸克只能有三个家族。

电弱作用的关键参数Z粒子的质量以很高的精度被测量。其值为91.187±0.002 Gev，这个精度比LEP计划阶段所期望的高10倍。达到这么高的精度只有通过改进加速器、实验方法、理论计算和数据分析才有可能实现。

通过测量和分析Z衰变到中微子，到带电轻子和到夸克等过程，其结果与标准模型的预言也完全一致。测量是如此精确，甚至能测量到LEP还未直接测量到的更重的粒子对衰变过程的影响。例如，顶夸克的质量，在它还未被精确测量到之前，其质量已被这种方法所预言。

另一个重要参数是“混合角”Sin²θ。它可以度量电磁作用力的强度比弱作用力强多少。这个混合角也以很高精度（0.2317±0.0002）被确定，并且它已成为粒子物理的关键参数。它的理论预言不仅构成了所有力的统一的柱石，而且除标准模型以外，它也是超对称理论的最重要的实验支柱。

像HERA以及其它实验室所证明的那样，电磁作用和弱作用具有相同的来源。如果正电子与质子对撞，可以发生两种类型散射过程。一个是中型流过程，在这个过程中或者交换光子（电磁作用的场粒子），或者交换Z玻色子（弱作用中性场粒子）。另外一个过程是带电流过程，在这个过程中正电子和质子交换W（弱作用带电场粒子），并且正电子转变为中微子。当比较两个过程的测量（产生）率时就可证明，电磁作用和弱作用具有共同的来源：在正电子和质子对撞中，如果电子只传递给质子很小的动量Q时，电磁作用力比弱作用力大许多量级，这两种作用产生率就差许多。如果动量传递很大，也就是说，Q达到80 Gev的W质量，两个力就具有相同的强度，那么，两种作用产生率就应相同。在实验上，所有测量的能量与标准模型的预言符合得非常好。理论与实验之间的一致进一步支持这种结论：电子和夸克直到空间尺度10^-18米，还是无内部结构的类点。即使在所能达到的极端小的距离，量子色动力学还能正确描写强相互作用。

对称性与物理学定律

对称性不仅在艺术上起到重要的作用，在物理学定律的表达形式中也很重要。因此，微观世界定律也会遵循某些对称性的规则。例如，基本过程显示电荷共轭对称性（C），就是说，如果参与过程的所有粒子的电荷都变个号，该过程随着时间的发展不变。如果从镜子里观看，过程随时间发展不变，则该过程显示宇称守恒（P）。强作用和电磁作用都遵守C和P对称性，但是弱作用破坏这些对称性。尽管破坏CP联合对称性只有0.1%，我们仍想知道引起这个微小破坏的原因。然而，由于标准模型预言这个效应很小，这就要求进行极端精确的测量。这项研究可能揭示出新的粒子定律存在的证据。B粒子衰变研究证明，这是非常有希望的，日本和美国为了研究这个问题正在进行几个相应的实验。

强相互作用的检验

夸克和胶子之间的强相互作用理论：量子色动力学（QCD）是1972年提出的，自那以后，它已成功地被日益精确的实验所检验。按照QCD在自然界不能直接观测到自由的夸克和胶子，就是说，胶子和夸克不能单独存在。但它们作为粒子（强子）喷注是间接可见的。1979年，用DESY的PETRA对撞机，人们发现了胶子是强作用的携带者。在LEP和HERA还以更精确的实验继续研究QCD。对于其它问题，也确认了QCD的基本预言，即胶子之间相互耦合，以及相互作用强度对能量的依赖：其强度随碰撞能量增加而减少。

HERA的电子（正电子）-质子对撞机被用来研究质子内部结构以及夸克和轻子可能的结构：质子的内部结构是用结构函数描写的，它常被用来描写质子内部的带特定动量的某种夸克有多少。特定动量是指夸克携带的动量能占多少质子的总动量，即所谓动量分数。HERA大约以2%的精度测量了结构函数，测量揭示出质子结构的惊人特征：它完全被“虚胶子”包起来，而且，夸克-反夸克对是连续不断地产生和湮灭。量子色动力学很好地描写了结构函数的形态。

也可用HERA研究质子的自旋问题，即它的固有角动量是如何由组成它们的夸克、胶子的自旋，以及它们的角动量构成的。

关于中微子质量

标准模型的最简单的形式是假定所有中微子质量都等于零，所有试图直接确定中微子质量的实验，也就是通过分析放射性衰变，都表明电子中微子质量要小于3电子伏特。中微子震荡测量，也就是不同中微子种类之间的相互转变的测量，因为中微子相互转变的几率依赖于不同种中微子质量之差，因而这种测量可以非常精确的决定中微子质量之差。因此，中微子震荡的发现是中微子质量不为零，以及电中微子、缪中微子和陶中微子具有不同质量的直接证据。

近年来，在反应堆和加速器中都进行了中微子震荡的研究。日本的超级Kamiokaned探测器在地下的水箱里探测到来自太阳和地球大气的中微子，在1998年首次记录到了中微子震荡的明显证据。那时，它们测量了由宇宙线在大气外层的碰撞生成的粒子衰变产生的缪中微子，结果测到的来自地球事例比来自天空的要少，这个实验称为中微子震荡的证据。对这个结果的一个可能解释是，在中微子穿过地球的长途飞行中，一些缪中微子已转变为不能被测到的中微子。这个结果激发了世界各地许多研究所去准备进行新的实验。其中一些包括加速器产生的高能中微子束，以及对准远距离安装在地下的探测器。

新粒子的研究

且不说粒子物理理论和实验在过去几十年的成功，实际上许多基本问题还未得到答案。其中一个重要问题之一是电弱对称性破坏的问题，换句话说，为什么光子没质量，而规范玻色子W，W，Z又非常重。

这个问题的答案与希格斯玻色子的研究紧密相关。迄今为止，我们还未能直接观测到这种粒子。然而在LEP和其它机器在近几年的测量已允许我们可精确地估计希格斯质量可能的范围。令人注目的是，通过近几年的测量，已经大大缩小了希格斯玻色子可能的质量范围。例如其质量不能比112 Gev小。在精确测量基础上，大约200 Gev的上限也已经确定。确定质量的方法类似于正确预言顶夸克质量的方法。

技术人员在检修托卡马克热核反应装置

对希格斯玻色子的研究，这个标准模型的最重要的问题，要依赖于在Tevatron和LHC上的未来的测量。LHC的优势在于它可产生非常大的质量的粒子。为了更精确的确定希格斯玻色子的性质，需要像TESLA那样能量能达到100 Gev到800 Gev电子-正电子对撞机。这些实验的目的是想回答，基本粒子的质量是否像希格斯机制所预言的那样，的确是由希格斯玻色子产生的。测量希格斯玻色子与其它基本粒子的耦合的实验，可能是检验这个预言的关键。

正像上面注意到的，不管它的许多实验检验，还存在大量迹象表明标准模型不是最终的理论。因此，粒子物理学家正在研究关于更深理论线索的现象。例如，HERA和Tevatron正在被用来研究轻子是否能与夸克或胶子束缚在一起，或者是否像几个作者预言的那样，它们是否能被激发。

除了标准模型外，最有希望的理论是超对称性，它把物质的基本粒子与基本力统一起来，并且它还要求必须存在许多新的其它粒子，超对称还要求有几种希格斯玻色子存在。虽然，至今还未观测到超对称粒子，但是，有许多迹象表明，大约1Tev能量的实验将能够回答这样的问题：超对称实际上是否能显现在自然界？超对称理论还可预言标准模型中三个基本力在非常高的能量时统一；对于上面注意到的与测量符合得很好的电磁作用力强度与弱作用强度的关系，它也能做出精确预言。这是人们应该努力研究超对称粒子的令人信服的证据。

在新加速器上实验的预先研究

曾经获得多次诺贝尔奖的新的探测方法的发展，对于粒子物理中新发现来说是必不可少的。因此，现存实验的运行正在伴随着下一代探测器的预制研究。在LHC的两个巨大探测器（ATLAS，CMS）的发展和构造已经给实验粒子物理一个巨大的冲击。这种实验只有通过包括上百个研究所的国际合作的努力才能进行，这就表现为新规模的国际参与者。由于每个质子-质子对撞机都产生大量的粒子，所有的探测设备都必须是抗辐射的。

从实验粒子物理领域已经产生了许多新技术：它对发展同步辐射源、研究超导、发展新的探测方法和探测器、改进信息技术并创造新的通讯形式做出了重要贡献，一个最好的例子就是Word Wide Web，它是粒子物理学家做出的。同国际性协作结合起来，这使得教育更加多样化，这也是年轻科学家教育的重要的组成部分。

为了用不断提高精度的实验来检验关于微观世界更深关系的理论概念，加速器实验是非常重要的。直到现在，标准模型与实验符合的是如此之好。然而，新发现的迹象正在增长。因此粒子物理学家正渴望等待来自Tevatron，和像LHC和TESLA那样的新加速器实验的新结果。

天文物理和粒子物理

连接天文物理和粒子物理的边缘学科创建于1912年，当时，维克多 · 海斯（Victor Hess，1936年诺贝尔奖获得者）发现了来自宇宙的贯穿辐射。研究宇宙射线的目的之一是认识辐射源的性质，原因是，能量比最大的粒子加速器要大亿万倍多的非常高能的宇宙线的来源是天体物理最大的谜之一。另外一个目的就是研究宇宙射线中的粒子和它们的性质。今天知道的许多基本粒子，像第一个反粒子-正电子，就是在宇宙线中被发现的。

粒子物理标准模型以及在它基础上的统一理论的研究，使粒子物理与宇宙学之间自然产生了一个诱人的联系。这些理论的预言之一是质子的不稳定。为了探测质子衰变，建立了几个地下探测器。实验表明质子的寿命比1032年还长，这样就比理论预言长的多，与我们现在的探测能力相比也长的太多而无法测到。与此相反，这些实验却导致了许多未计划的观测，它们成功地探测到了包括第一个来自超新星的中微子的探测，和上面注意到的中微子震荡实验。这些结果也突现了粒子物理与天文物理的紧密作用。

对宇宙辐射的来源的问题曾从不同角度进行研究。大气族射探测带电粒子，在南北半球的契连科夫望远镜记录到非常高能的伽马射线，而巨大的中微子望远镜在察看来自宇宙的非高能的中微子，气球和卫星实验可测量非常低能的辐射。这些方法是研究反物质原子核的宇宙辐射的最有效方法。

我们今天知道的宇宙大多数质量是可见的，暗物质可能是由来自组成宇宙早期阶段物质的粒子。它的一个最有希望的候选粒子是引力微子，是超对称理论中最轻的稳定粒子。对这种粒子的研究是建立在各种广泛的方法之上的。例如正在试图做的是直接探测那些弱作用的重粒子（WIMPs）的稀有事例，也就是通过它们在半导体或冷探测器中的能量释放来测量。中微子望远镜也被用来探测由于WIMPs的相互湮灭可能释放的中微子。这是用加速器对超对称粒子研究的一个有效扩充。

从基本粒子到早期宇宙

微观世界的粒子物理的标准模型相当于宏观宇宙的宇宙膨胀模型。宇宙膨胀模型预言：早期宇宙是由基本粒子热等离子体组成的。这种热等离子体的性质是可以用基本粒子理论来计算的。宇宙发展的全部过程，就是等离子体冷却的过程。各种发展阶段的剩余物，包括光子的宇宙背景幅射、轻元素、质子和电子，构成宇宙物质的所有基本组份。

宇宙背景辐射大约产生于宇宙大爆炸后的30万年，当时，原子核与电子结合成了电中性的原子，对于光子来讲那时的宇宙是透明的。在大爆炸以后大约一分钟，也就是约10¹⁰K温度时，轻元素氘、氦、锂都已形成。计算出的丰度支持中微子种类数和宇宙中重子与光子密度的比的这些关键预言，在LEP做的测量已经确认第一个预言：存在三种中微子。

在今天的加速器里，夸克与轻子以几百Gev相碰。这个能量相当于早期宇宙在10^-10秒时达到的能量（10¹⁵K）。这时的宇宙发展具有基本重要意义，因为在这一时刻，粒子是通过标准模型中的希格斯机制获得了质量。早期宇宙理论将进一步揭示今天的物质密度与中微子的性质的直接关系。

为了认识更早期宇宙发展阶段和它的宇宙学推断，粒子物理标准模型必须扩大到可以描写引力作用的情况。这恰恰说明了我们的微观世界的认识与我们的宏观宇宙认识联系是多么的紧密。