场论与粒⼦物理领域的发展态势

作者: 何⼩刚等

来源: 理论物理专款

发布日期: 2024-01-02 08:47:39

本文简要概括了场论和粒子物理学领域的现状、问题与未来发展趋势,聚焦于形式理论、标准模型有效场论、希格斯与顶夸克物理、强相互作用与强子物理、弱相互作用与味物理、中微子物理与暗物质寻找等主要研究方向的重要成果及面临的挑战和机遇。

场论与粒⼦物理学是在追求“极⼩”——探索物质的最深层结构与最基本相互作⽤的科学研究中发展起来的,其最强有⼒的理论⼯具是量⼦场论以及与之相关的形式或有效理论。本⽂旨在简要概括场论和粒⼦物理学领域的现状、问题与未来发展趋势,聚焦于近年来在形式理论、标准模型有效场论、希格斯与顶夸克物理、强相互作⽤与强⼦物理、弱相互作⽤与味物理、中微⼦物理与暗物质寻找等主要研究⽅向所取得的重要成果以及⾯临的挑战和机遇。

从1897年发现电⼦到2012年发现希格斯粒⼦,实验和理论物理学家经过⼀个多世纪的不懈努⼒,深刻理解了物质世界的微观结构,建⽴了正确描述电磁⼒、强核⼒和弱核⼒的标准理论——粒⼦物理学的标准模型。

标准模型由电弱统⼀理论和量⼦⾊动⼒学两⼤板块构成,包含夸克和轻⼦以及传递相互作⽤的玻⾊⼦,其理论基础可以概括如下:①集狭义相对论和量⼦⼒学之⼤成的量⼦场论;②由特殊⺓正群SU(3)C×SU(2)L×U(1)Y所描述的定域规范对称性,分别对应⾊量⼦数守恒的强相互作⽤、宇称最⼤程度破坏的弱相互作⽤和电荷守恒的电磁相互作⽤;③导致电弱对称性⾃发破缺的布劳特?恩格勒?希格斯机制,使传递弱相互作⽤的W±和Z0玻⾊⼦以及所有带电费⽶⼦获得质量;④可重正性。

尽管标准模型的有效性和预⾔能⼒从⻉塔衰变所代表的低能标到⼤型强⼦对撞机正在探索的能量前沿都得到了众多实验的有⼒验证,且该理论与宇宙学的结合也极⼤地促进了⼈类对宇宙早期演化动⼒学机制的理解和描述,但它仍然不够完备。⾸先,标准模型的群结构表明它并⾮真正意义上的统⼀理论,含有过多⾃由参数(尤其是与夸克和轻⼦相关的“味”参数)。其次,标准模型在定量解决低能⾮微扰问题⽅⾯依然⾯临诸多困难。

再次,该理论甚⾄未能定性理解中微⼦的质量起源,也未能提供暗物质粒⼦的合适候选者。最后,该理论与已知的量⼦引⼒理论尚⽆任何实质性、可检验的关联。标准模型的理论框架本身存在的诸如此类的局限性,以及近年来实验观测到的若⼲“反常”现象,成为探索超越标准模型的新物理的强烈动机。

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