夸克与美洲豹 作者:[美]盖尔曼-第23章
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参与者）的简单性。电子和电子中微子——弱相互作用
虽然核粒子和它们的组成部分十分重要，但还有一些更重要的问题。例如，电子并不具有色，也不关注色力或由此引起的核力。在一个重原子里，绕核旋转的最里层的电子，实际上很多时间在核里运动，这样它自然地要感受到质子由电磁效应引起吸引力，但它感受不到核力。
虽然电子不具有色，但它却有味。正如d 夸克有u 夸克作为它的味伙伴一样，电子也有电子中微子作它的伙伴。电子中微子似乎是一个非常安静的伙伴，因为它电中性，不仅感受不到核力（如电子那样），而且也感受不到电磁力。例如，它可以穿过地球，而相互作用的概率很小很小。由太阳热核反应产生的中微子，在白天像雨一样落到地面，到晚上它们则穿过地球从地面冒出来。当作家厄普代克（John Updike）从书中得知中微子的行为时，他在“宇宙的烦恼”（Cosmic Gall）一诗中写道：中微子多么渺小，没质量微不足道。没有电荷，对谁也不干扰。地球是个傻大个，驰骋穿过自逍遥。无论气体多特异，还是铜墙铁壁挡，它进退伸缩真自如，穿过了地球，还回头礼貌一笑。深夜它从床底飞出，穿过梦中人的身体，惊动不了一丝一毫！啊，我说这宇宙真令人烦恼，你却道：世事真无限奇妙！（为了满足科学性，上面第4 行诗应改为“对谁也几乎不干扰”。）
遗憾的是对太阳中微子的探测，仍然存在许多问题。测得的比率比预言的要低，这使得物理学家们提出了各种各样的解释，这些解释的可信程度也各种各样。我的同事福勒（Willy Fowler）有一次竟然提出，太阳中心的核熔炉也许在以前什么时候已经熄灭了，而太阳内能量的传递机制非常之慢，以至熄灭的信息仍未传到太阳的表面。没有多少人相信这是一个正确的解释，但是，如果它真是一个正确的解释，那我们在某一天将会面临真正的能源危机了。
如果中微子既不受强力的作用又不受电磁力的作用，那么它怎么会在太阳的中心产生，我们又怎么能在地球上的实验室探测到它呢？这就需要另一种力，即所谓的弱力（weak force）。电子中微子和电子都参与了这种相互作用。正因如此，我修正了厄普代克的诗句（“do not interact atall”）。弱力按下面方式引起相互作用：1．当质子中的一个电子变为一个电子中微子时，这个质子同时就变为一个中子。这个反应是中微子何以产生的一个范例。这儿提到的质子是一个重核的一部分，电子是绕核旋转最里层电子中的一个，这轨道上的电子有相当一部分时间在核里运动。2．相反的过程，即一个电子中微子转变为一个电子，同时一个中子转变为一个质子。这个反应说明一个中微子如何能被探测到，因为中子靶就在核内。既然中子和质子都不是基本的，那么，上述反应就还不是基本过程，最基本的过程应涉及到夸克：1．一个电子转变为一个电子中微子，同时一个u 夸克转变为1 个d夸克。2．一个电子中微子转变为一个电子，而一个d 夸克同时变为一个u夸克。
在电子转变为电子中微子（或相反）和u 夸克转变为d 夸克（或相反）的这些反应里，都涉及到一种味的改变。如量子场论中任何这种过程一样，在这些反应过程中一定有一个量子进行了交换。对两个反应中的任一个（其中第1 个反应如图13…4 左图所示）都在相同的费曼图中有两种形式；一种形式涉及交换带正电荷的量子，而另一种则涉及交换带负电荷的量子。这种量子的存在在50 年代晚期被提出，25 年后在CERN 被鲁比亚（CarloRubbia）和范德米尔（Simon van der Meer）在实验中发现，他们两人因此获得诺贝尔物理学奖。这个量子通常被称为W＋和W…，这是李政道和杨振宁在一篇著名的论文中指定的名称，但我和费曼仍然经常用X＋和X来表示。量子味动力学和中性弱力
电磁力和弱力都可以看作是味力（flavor force），这是因为电荷随味一起变化，而弱力则涉及到味的改变。在50 和60 年代，量子味动力学（quantum flavor dynamics）被提出来了，它将量子电动力学和一种弱力理论综合起来研究。格拉肖（Sheldon Glashow）、温柏格（Steven Weinberg）和萨拉姆（Abdus Salam）对量子味动力学作出了特殊贡献，他们利用这个理论成功地预言有一种新的味力存在，它使得电子中微子在中子或质子上发生简单散射（simples cattering）：在这过程中味不发生变化。如果用夸克的概念，则这新力引起电子中微子在u 和d 夸克上发生散射，同样，味不发生任何变化。这种散射发生时要交换一个新的电中性的粒子，称为Z0（如图13…5 所示）。这个量子的存在同样由鲁比亚、范德米尔和他们的同事所证实。费米子家族
下面的图表总结了我们所谈到的粒子和力。这是一个费米子家族，它由电子和电子中微子、两味三色夸克组成；还有一个相应的反家族，由正电子和反电子中微子、两味三色反夸克组成。与之相关的色变量是量子色动力学中的多色胶子；这色变量不存在于电子、电子中微子和它们的反粒子中。与味变量有关的是量子色动力学中的4 个量子。
事实证明，费米子家族不只一个，还有两个这样的家族，它们有类似的结构。每一个家族都由一个类似电子的粒子、一个对应的中微子和带有电荷－1/3 和＋2/3 的两味夸克（分别类似d 和u）。由光子；携带的味力量子味动力学由多色胶子所携带的色力量子色动学我们讨论过的基本粒子和力（为了简单性的缘故；费米子的反粒子从图表中删除了）
在第二个费米子家族里，与电子类似的粒子是μ介子（muon）。1937年它被加州理工学院的C。安德森和尼德迈耶（Seth Neddermeyer）发现。μ介子是电子的一种重的变体，比电子大约重200 倍，它的中微子叫μ子中微子。这一家族的夸克叫s 夸克（或“奇异”夸克，strange，它类似于d）和c 夸克（或“桀”夸克，charmed，它类似于u）。像μ子一样，这些夸克比第一家族的夸克要重一些。
第三费米子家族也知道了，由τ子（tauon，重为μ子的20 倍）、τ子中微子、带－1/3 电荷的b（或“底”，bottom）夸克和至今尚未发现的带有电荷＋2／3 的t（或“顶”，top）夸克构成①。如果实验物理学家们在现在得到的能级范围里还找不到顶夸克，那我们理论物理学家就不得不“把责任落到我们的自来水笔上”（我以前的同事戈德伯格常这么说）。不过，现在自来水笔已经少见了。除此以外，古代罗马英雄在被打败了后想自杀时，一个可靠的侍从就会抓住他的剑不让他自杀，现在不大清楚一个研究生能否把一支笔抓得足够牢靠。
除了已知的费米子家族以外，还有没有额外的费米子家族呢？最近一个关于Z°量子衰变速率的实验，有助于说明这个问题。理论物理学家的预言允许Z°衰变为三种中微子…反中微子对中的任何一对（这三种分别是电子、μ子和τ子），实验与这一预言相符。这说明不会有第4 种中微子，除非它有巨大的质量，不像另3 个那么轻。因此第4 个家族被排除了，除非它的中微子非常不同于已知的3 种。
有了三个费米子家族和它们的反粒子，以及电磁、弱和胶子相互作用的量子，关于标准模型的描述几乎就结束了，但还有一个有关QCD 很好的简单明了的推广。光子伴有其他一些量子，电子伴有其他一些费米子。这些量子和费米子的图像（包括它们变化的质量和以量子为媒介的力的强度的变化），显示出某种明显的复杂性。但标准模型还不是基本的理论，只有在基本的层次上，潜藏的、充分的简单性才可能揭示出来。零质量近似
有一个办法可以得到标准模型不具有的简单性，那就是对所有我们讨论过的粒子都采取一种近似的考虑，假定它们的质量都近似为零，这也就是说这些粒子都以光速运动，而且永远不能静止。当弱相互作用的量子被视为没有质量的时候，则3 种相互作用就具有基本的相似性。量子味动力学和量子色动力学有相近的数学结构，它们都属于同一类理论，即所谓的规范理论（gaugetheories），或称杨…米尔斯（Yang－Mills）理论（如像格拉肖和我多年前的推广一样）。
当费米子的质量设定为零时，在费米子的对称性中许多对称性出现了。特别是3 个家族有了同样的特性。
问题立即又出现了：零质量近似是如何被打破的？在描述产生非零质量的机制以前，我们先来看看几个实际的数值。大和小的质量（或能量）
在论及质量或能量时，最根本的是要利用爱因斯坦的质能关系式，这个关系式指出一个非零质量的粒子在静止时，它具有的能量等于它的质量乘以c（光速）的平方。质量和静止能量的等价性可以用来确定：能量等价于任何质量。当中子和质子像这样转化为能量时，这两个粒子都用GeV① 顶夸克已于1995 年由美国费米实验室发现——译者注这样的能量单位表示。这儿的 G（giga…）指的是109；一个GeV 是一个静止的电子在电势差为109 伏电场中加速时所得到的能量。这是一个很方便的单位，尤其是测定与粒子质量等价的能量时，更是十分方便。
在标准模型中，基本粒子的非零的质量可以彼此很不相同。电子的质量大约是 2×10…2GeV；中微子的质量如果实际上不为零，则为10…8GeV；τ子的质量近似为2GeV；X±（或W±）和Z°玻色子的质量接近100GeV。最重的夸克是t 夸克，估计质量为170GeV。所有这些质量破坏了零质量近似所具有的特殊对称性。自发对称违背
是什么原因使得这些质量成了非零的，又是什么原因使得它们如此的不相同？这种作用的机制在标准模型里，至少部分明白了。这与一种（或几种）新的玻色子的存在有关。至少有一个这种类型的玻色子在现有的能量下可以观察到，或者不久将会在CERN 的加速器上可以观察到。这种玻色子称为希格斯玻色子（Higgs boson），也简称为希格斯子（Higgson）。这个玻色子不仅仅只是爱丁堡的希格斯（Peter Higgs）具体讨论过，而且被几位其他粒子物理学家用不同的方法讨论过，其中包括吉玻（ThomasKibble）、布劳特（Robert Brout）、恩格勒特（FrancoisEnglert）。另外，在更早一些的时候，我的朋友安德森（PhilipAnderson）曾概略地提到过它。安德森是一位凝聚态方面的理论物理学家，现任圣菲研究院科学委员会的副主席；他因为在凝聚态方面的工作获得过诺贝尔物理学奖，但他关于希格斯玻色子一般性思想的预言，却没得到基本粒子物理学家们的广泛承认。我不免私下起了疑心，如果他的贡献得到更普遍的承认，他或许就不会在公众面前反对建造新的粒子加速器。他强烈地反对为寻找安德森…希格斯或者希格斯…安德森玻色子（至少部分为此）而建造新的加速器，这里有什么其他方法吗？为了公平起见，我建议“希格斯子”保持不变，但应采用“安德森…希格斯”表示打破零质量近似对称和造成标准模型中各种不同质量非零粒子的机制。安德森… 希格斯机制是一种更普遍的自发对称破缺（spontaneoussymmetrybreaking）的特殊情形。
这种过程的一个熟悉的例子是一个普通磁铁的所有很小的原子磁体都一个接一个地排列着。组成磁铁的基本粒子的方程组（在内部相互作用但对外部没有影响）使得它们在空间方向上完全对称，这就是说，磁铁的指向对它们来说毫不相干。但任何外部的影响，无论多么微弱，例如一个非常弱的外磁场，都可以决定磁铁的取向，而在另外情形下这取向完全是任意的。
组成磁铁的粒子的方程组具有一种对称性，是因为所有的方向对它们都一样，但方程组的每一个解，由于指定了一个确定的方向而破坏了对称性。但是，所有这些非对称的解集却又具有对称性，因为每一个方向对应一个解，所有的方向集是完全对称的。
在这一特例情形下，自发对称破缺的本质在于：具有一特定对称性的方程组有各种解，每一个解破坏了对称性，但所有的解集却又是对称的。自发对称破缺的安德森…希格斯机制的最大功能，是允许费米子和弱相互作用的量子获得非零质量，并且不会在量子味动力学的计算中引出灾难性的无限大。粒子理论物理学家曾经花费相当多的时间寻找这样一个“温和的”（soft）机制，以得到非零的质量，但直到希格斯子出现才做到了这一点。时间对称的违背
安德森…希格斯机制不仅能解决标准模型中非零质量的问题，而且对基本粒子物理学中时间逆转时所观察到对称性的小的背离，也能给出解释。这就是说，基本理论最基本的一些方程在时间逆转时应该具有对称性。的确，杂化超弦理论（heteroticsuperstring theory，基本粒子统一理论中唯一重要的候选者）就有这种对称性。这种对称性的违背是另一个例子，说明对称性方程组有一个非对称解的对称集，这正如大自然中发现的情形一样。在本小节所述的情形下，一定有两个解，分别代表不同的时间方向。在基本粒子层次上时间对称的违背 （violation of time symmetry），并不是在任何情况下都能解释时间之箭——最大的不同是在时间序列上，我们可以连续观察到事件向未来和过去（时间逆转）之间的运动。这种重大的不同起因于宇宙膨胀开始时特别的初始条件，正如我们已经提到过和以后还要更加详细讨论的那样。物质…反物质对称性违背
如果要进行数学运算的话，时间向前和向后的更迭与左和右的转换联到了一起，物质和反物质的转变也是如此，这两者的合成运算（称为CPT）在量子场论里严格对称。这样，由于时间对称性的自发违背，那么物质和反物质对称性之间的违背就完全用不着惊讶了。这后一种对称性的违背能够解释我们周围世界总体的不对称性吗？在我们周围的世界中，各种物体都是由物质组成，而反物质只能在高能碰撞中偶而出现。
很多年以前，萨哈洛夫（Andrei Sakharov）提出了这个想法。已去世的萨哈洛夫由于（与泽尔多维奇一起）为苏联的氢弹提出了关键性思想而成为著名人物，后来他又为苏联的和平和人权进行了斗争。萨哈洛夫常常把别人认为还需要改善的许多思想汇集到一起来考虑，并常常由此得到一些新想法。这次也是如此。他的结论是在宇宙的最早期，物质和反物质是对称的，但立即通过与时间对称性自发违背同样的产生机制，产生了现在已有的物质和反物质不对称性。萨哈洛夫的建议，开始显得十分古怪，但在接下去的转换中它显得越来越好。这种自发对称违背似乎真是造成物质绝对超过反物质的主要原因。自旋
自发对称违背的安德森…希格斯机制中出现的希格斯子，是另一类玻色子，不同于胶子、弱和电磁相互作用的量子。一个非常重要的区别是它们的自旋角动量（简单地称之为自旋）不同。自旋是在数值上描述粒子绕自己的轴旋转的快慢。在量子力学里，自旋使用的是一个自然单位，用这种单位一个玻色子的自旋可以
