內容簡介
已知粒子之間有四種相互作用：引力相互作用、弱相互作用、電磁相互作用以及強相互作用。這些相互作用都隨距離的增加而減弱，但隨距離的變化關係則大不相同，引力相互作用比後面三種相互作用弱得多，約為弱相互作用強度的 10 。因此，在粒子物理學中主要涉及的是後面三種相互作用。強相互作用只存在夸克之間，它將夸克束縛成強子，是自然界中最強的相互作用，用量子色動力學描述，總共有八種不同的膠子攜帶色力。電磁相互作用比強相互作用弱，它把電子束縛在原子核周圍。弱相互作用控制放射性衰變和核聚變，比電磁相互作用弱。引力相互作用是人們最早認識的一種相互作用，然而卻是研究進展最慢的一種相互作用。粒子之間存在四種相互作用，這四種相互作用之間存在何種聯繫，是否可以從更基本的角度把它們統一起來，一直是物理學家們所關心的問題。1961 年，格拉肖（ Glashow）首先提出電弱統一模型， 1967 年和 1968 年，溫伯格（Weinberg）和薩拉姆（ Salam）在規範場理論的基礎上，引入對稱性自發破缺機制，使這個理論發展完善。格拉肖，溫伯格和薩拉姆因此獲得 1979 年諾貝爾物理學獎。弱中性流的存在是 Glashow- Weinberg-Salam（ G-W-S）模型的一個很重要的預測，也是對這個模型的一個直接檢驗。 1973 年， Gargamelle 氣泡室利用歐洲粒子物理研究所（ CERN）的質子同步回旋加速器發現了中性流的存在，費米實驗室的 HPWF 探測器確認了這一實驗結果。隨後，中微子-核子和中微子-電子散射實驗提升到了百分率水平，定量地檢測了弱相互作用。對弱電干擾影響非常敏感的電子-氘核和電子-正電子散射實驗，以及原子宇稱破壞實驗對於弱電標準模型的驗證也是至關重要的。 1982 年和 1983 年，在 CERN 的超質子同步加速器上進行的 UA1 和 UA2 實驗分別發現了理論中預言的W 和 Z 玻色子。
標準模型
標準模型理論
電弱統一理論的成功促進了人們對大統一理論的探索研究。大統一理論是指把強相互作用和電弱相互作用統一起來的理論。 強相互作用的規律可以用色規範場理論來描寫，即色動力學，電弱相互作用的規律由電弱統一理論來描寫。把量子色動力學和電弱統一理論結合起來的規範場理論， 稱為標準模型。標準模型概括了對於強相互作用和電弱相互作用規律的認識。但在標準模型中，強相互作用和電磁相互作用還是相互獨立的。大統一理論期望在標準模型基礎上，找到強相互作用和電弱相互作用的內在聯繫而統一起來。
標準模型存在的問題
首個與標準模型不相符的實驗是 1998 年日本超級神岡中微子探測器 發表有關中微子振盪的結果，顯示中微子擁有非零質量。 標準模型的簡單修正（引如非零質量的中微子）可以解釋這個實驗結果。這個新的模型仍叫做標準模型。雖然標準模型取得了很大的成就，但作為基本理論來看，這個模型以及它的推廣還存在一些很重要的缺陷：
（1）這個模型中包含 SU(2) 二重態的 Higgs 玻色子。 Higgs 粒子是標準模型預言的一種自鏇為零的玻色子，然而尚未在實驗中觀察到，弱電對稱破缺還沒有滿意的解釋。
（2）自然界中至少存在三代輕子和夸克，它們在 SU(3)⊗ SU(2)⊗ U(1)下具有完全相同的量子數，標準模型不能對這種重複做出解釋。
（3）標準模型中規範群是三個單群 SU(3) SU(2)和 U(1)的直積，有三個獨立的規範作用常數，特別是 SU(3)群的耦合常數與弱電耦合常數有數量級的差別，標準模型沒有對這種差別做出物理解釋。因此強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用並未徹底統一。
（4）標準模型中包含大量的任意參數： 3 個規範作用常數、 3 個帶電輕子質量、6 個夸克質量， 3 個 Cabbibo 混合角、 1 個 CP 破壞的位相角以及 W 和 Higgs 粒子的質量。去掉一個共同的質量指標後，理論中共有 17 個實驗上可以測量而理論上完全任意的參數。考慮瞬子效應和θ 真空後，理論中還需引入兩個參數。如果自然界中存在右手中微子， 那么中微子可以具有質量， 輕子也將和夸克一樣具有自己的 CabibboKobayashi- Maskawa（ CKM）矩陣，理論中的自由參數就會更多。很難想像自然界的基本理論具有如此多的任意參數。
中性流（5）電子電荷和質子電荷絕對值相等。這個現象稱為電荷的量子化，在標準模型中電荷
，電荷的量子化是通過選取左手輕子的超荷 y和左手夸克的超荷y的比 y/y=-3來保證的。但是U(1)群生成元的本徵值從原則上說可以是任意實數，其比值不一定要是整數。因此在SU(3)⊗SU(2)⊗U(1)模型中電荷的量子化是人為地放入理論中的，標準模型對此沒有做出解釋。
(6)引力相互作用沒有包含在標準模型 SU(3)⊗ SU(2)⊗ U(1)中。因此標準模型還不是最終的理論。
B介子衰變的味改變中性流Z'模型
弱相互作用和電磁相互作用的統一以及強相互作用的量子色動力學也是規範理論這一事實使得人們構想，弱、電、強三種基本相互作用可以在規範理論的基礎上統一起來。這要求有一個在規範群G下不變的拉氏量，群 G必須包含子群 SU(3)⊗ SU(2)⊗ U(1)這種類型的理論稱為大統一理論。這是一個理論上很有吸引力的想法。大統一理論可以解決標準模型規範常數獨立性的問題。為了使得理論中只有一個規範耦合常數，這要求規範群 G 或者是一個單群或者是幾個相同的單群的直積，在後一種情況下，如果附加上幾個單群互相置換的對稱性，則理論中也只有一個規範耦合常數，在幾個最簡單並且有吸引力的大統一模型中 SU(5)模型 ， SO(10)模型和E 模型 屬於第一類，而 Pan 和 Salam 提出的模型屬於第二類。
中性流比大統一理論更進一步的想法是把引力也和弱、電、強作用一起在規範理論的基礎上統一描述，超弦理論在這一方面做出了最好的嘗試。有效標準模型規範耦合能量的計算明確指出，電、弱和強力的統一（GUT’s ）的能量標度是 M ~ 10 - 10 Gev ，這與量子引力標度 Gev已非常接近。因此在考慮弱、電和強相互作用的統一時把引力包括在內是自然的想法。人們希望超對稱[8]能解決引力在重整化方面的困難，把規範對稱概念與定域超對稱概念結合起來統一描述四種基本作用的超引力理論已被不少人研究過。
解決標準模型中三代重複以及參數多的問題的另一種可能的途徑是，把輕子和夸克都看作複合粒子。在複合輕子夸克模型中輕子和夸克的譜以及標準模型所有的參數原則上都是由下一層次的組元和動力學決定的。已提出的複合輕子夸克模型大多是建立在規範場概念上的，其中一些把複合粒子的概念與大統一或超對稱的概念結合在一起。套用有效場理論討論了b→s 變換味改變中性流的 Z′ 模型，並研究了代非普適U (1)′ 規範對稱標準模型擴展上的約束。在引入Z′ 規範玻色子的同時也引入了大量的參數。對於這些參數，通過假設以及幾種特殊的極限對它們進行了限制。同時，在前兩代為代普適荷及小費米混合角前提下，利用模型獨立近似法對∆B= 1,2 過程做了相關分析。結果顯示，在這種模型下，B - B'混合中的反常以及 B→(ψ，φ，η'，ρ，ω，f )K衰變的時間依賴CP 不對稱可以以一致的方式進行考慮。不但對於強子衰變，而且對於B介子的輕子或半輕子衰變來說，來自B- B'混合的限制可能有很重要的意義。
