海德堡人

[拼音]：dianruo tongyi lilun

[外文]：unified electro-weak theory

電磁相互作用和弱相互作用的統一理論。迄今所知道的物質間的基本物理作用共有四類，即引力相互作用、電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用。前兩種相互作用廣泛地表現在巨集觀的物理過程中，因而比較早地為人們所認識。電磁作用還在微觀物理過程中佔著極其重要的地位。無論是在原子分子物理和凝聚態物理中，還是在光物理及光化學中，所涉及的物質間基本相互作用就只是電磁作用。強作用和弱作用是通過電子核物理的發展，在20世紀30年代以後才為人們所認識而進行研究的。強作用使質子和中子結合成原子核，而導致原子核β衰變的則是弱作用。

1957～1958年建立的普適費密型弱相互作用理論(即V-A理論）表明，弱作用與電磁作用有一個重要的相似處，即它的普適流－流作用的形式。帶電粒子之間的電磁作用也可以表成普適流-流耦合的形式，只是其中的流是電流（這裡的流都是指四維時空變換中的流，向量和軸矢也是對四維時空變換而言）。但是弱作用也在一些基本性質上與電磁作用有型別上的差異。首先是在力程方面，帶電粒子之間的流-流作用是通過光子傳遞的，由於光子的質量為零，故作用是長程作用。在V-A理論中，弱流與弱流之間的作用是直接的，即力程為零。這意味著弱作用不僅屬於短程作用，還是短程作用的極限情況。其次是在時空對稱性方面，電磁作用對空間座標反射是對稱的，即具有左右對稱性，而弱作用對於空間座標反射是不對稱的，並且是最大限度的不對稱。表現在流中即為：電流只有向量(V)成分，而弱流卻為向量(V)和軸矢(A)兩種成分的疊加，並且兩種成分具有同等的大小。另外，電磁作用是一種規範作用，而V-A理論不是。

V-A理論雖在唯象上獲得很大成功，但在理論上存在著嚴重困難，由於它不可重正化，於是在計算高階修正時將不能避開發散困難。這表明它不是一個完整的理論，只能給出初級近似的結果。這種初級近似的結果雖然在低能領域與實驗相符合（當時所研究過的弱作用過程只是各種粒子的衰變，它們都屬於低能領域），一旦過渡到高能領域，理論計算值將不可避免地要與實驗結果相矛盾。例如在弱作用引起的散射和反應的過程中，當質心繫中的能量值超過一定值（量級為幾百吉電子伏）時，計算出的截面值將超過么正性所允許的極限，這顯然不可能是正確的。

V-A理論的流-流耦合特性使人們想到弱作用也可能像電磁作用那樣，是通過某種向量玻色子傳遞的（光子也是一種向量玻色子），這種傳遞弱作用的向量玻色子通常又稱為中間玻色子。弱作用的極短程特性可以歸結為中間玻色子具有很大的質量。但這樣建立的重中間玻色子理論仍然是不可重正化的。

從弱流的性質可以得出，中間玻色子必定是帶電的（通常以符號W廮來標誌），這又引起了向量帶電玻色子與光子的耦合要取何種形式，才能使相應的電動力學可以重正化的新問題。這一情況使得一些物理學家認為，只有將弱作用與電磁作用結合起來考慮才能得到一套完整的理論。

電磁作用是一種阿貝耳規範作用，1954年楊振寧和R.L.密耳斯把規範作用推廣到帶有內部對稱性的情況，提出了非阿貝耳規範場理論，這就為規範理論的擴大應用創造了條件。但直接將此理論應用到弱作用有一個重大障礙，即規範理論要求其中的向量玻色子必須是零質量的，而中間玻色子則應具有很大的質量。另外，弱作用的宇稱不守恆也為建立嚴格的對稱性理論造成了困難。宇稱不守恆意味著，如果弱作用具有內部對稱性，那麼這種對稱性必定是左右手有別的，即一個費密子的左右手分量要具有不同的量子數。但哈密頓量中的費密子質量項將破壞這種對稱性，因為它使得一個費密子的左右手分量互相轉化。這樣，嚴格的弱作用內部對稱性要求費密子的質量也必須為零，然而除了中微子以外，所有的費密子都是有質量的。

1958年，G.範伯格發現當帶電向量玻色子具有特定的磁矩時，某一型別的發散可以消去。這一磁矩並不等於“最小電磁耦合”所給出的值，而對應於某種非阿貝耳規範場理論中所要求的磁性。這一跡象表示非阿貝耳規範場理論可能在解決發散困難中起重要作用。

當將非阿貝耳規範概念應用到弱作用，並把內部對稱性取為弱同位旋時，規範玻色子除了帶電的以外，還應有一箇中性的。1957～1959年，J.S.施溫格、S.L.格拉肖、A.薩拉姆和J.C.沃德都分別設想過這個中性規範玻色子就是光子的方案，從而得到一個弱作用與電磁作用的統一理論。但由此給出的結果與實驗有明顯的矛盾。1961年，格拉肖首先意識到，要同時描寫弱作用和電磁作用，內部對稱性應當擴大，即除了弱同位旋以外還應加上弱超荷。這時中性規範玻色子就有兩個，混合後一個即為光子，另一個具有質量，稱為Z悎，它與一個形式很特殊的中性弱流相耦合。1964年，薩拉姆和沃德在不知道格拉肖工作的情況下，提出了類似的理論。

格拉肖的這個理論並不是嚴格的非阿貝耳規範場理論，因為這個理論中加進了中間玻色子的質量項。格拉肖曾認為這樣的具有部分規範對稱性的理論仍然是可重正化的，後來知道這個結論並不正確。實際上只有在引入對稱性自發破缺概念之後，才有可能建立一個既可重正化又使中間玻色子具有質量的電弱統一理論。

對稱性自發破缺的概念是1960年左右被南部陽一郎等物理學家從固體物理引入到粒子物理中的。它指的是這樣的情況：物理規律本身具有某種精神的對稱性，但基態是簡併的，實際的物理基態只是這些眾多可能的基態中的某一個，因此，在這個特定基態的基礎上所發生的物理現象，將不顯示或只部分地顯示物理規律固有的對稱性。在這裡，對稱性並未受到外界因素的破壞，它的破缺完全是自發產生的。從實質上說，這時物理規律的對稱性並沒有任何破缺，只是在特定的背景下不能顯示出來。因此自發破缺的對稱性又稱為隱含的對稱性（見對稱性和守恆律）。固體物理中的超導電性就是對稱性自發破缺的一個例子。

在超導電理論的啟發下，南部等在1960年左右提出一個使核子獲得質量的理論模型。設想物理規律原來具有手徵對稱性，從而裡面的費密子不具有原始質量。在此模型中，手徵對稱性的自發破缺使得原無質量的兩個二分量的費密子合成為一個有質量的核子(具有四分量)。南部發現，與此同時還有一個零質量的標量玻色子存在的跡象。這個標量粒子被認定為 π介子，並假設由於其他原因而獲得了一個小質量。

J.戈德斯通於1961年通過具體模型清楚地揭示了相對論性場論中連續對稱性自發破缺如何導致零質量粒子的出現，並認為這是一個普遍性的結論。此結果被稱為戈德斯通定理，而上述零質量標量玻色子通常稱為戈德斯通玻色子(或南部－戈德斯通玻色子)。1962年，戈德斯通、薩拉姆和S.溫伯格對該定理給出了一般性的證明。

1964年，P.W.黑格斯等指出，戈德斯通定理有一個例外，即發生自發破缺的是規範對稱性的情況。這時戈德斯通玻色子並不作為物理粒子表現出來，它可以通過規範變換吸收到規範玻色子中成為它的縱分量，並使得規範玻色子獲得質量。這種現象可看成是超導電中等離激元現象的相對論變種。以上所述的消除戈德斯通玻色子的機制一般稱為黑格斯機制。它既可在理論中消去不期望有的戈德斯通粒子（而實際上未觀察到），又可使規範玻色子獲得質量，一舉解決了將規範理論應用到弱作用所遇到的兩個重大困難。

1967年，溫伯格將規範理論和對稱性自發破壞的概念用到電弱作用中，提出了一個可重正化的理論，統一處理輕子的電磁作用和弱作用，其中所採用的規範對稱性即為格拉肖所提出的弱同位旋和弱超荷對稱性。1968年薩拉姆也提出了類似的理論模型。這一模型因而被稱為格拉肖-溫伯格-薩拉姆電弱統一理論模型。

在此理論模型裡，對費密子暫時還只限於為輕子，其電弱作用哈密頓量為

其中慸弱同位旋算符，

W

λ為相應的規範玻色子，g為弱同位旋耦合常數，懅為弱超荷算符、Bλ為相應的規範玻色子、g′為弱超荷耦合常數。在粒子物理中基態也就是真空態。在此模型中造成真空簡併的假設是由於一個弱同位旋二重態的標量粒子在真空中的凝聚，此標量粒子帶有弱超荷1。

對於輕子質量問題，模型採用了南部模型中的思想，即假定所有的輕子都無原始質量。這樣，電子或其他帶電輕子的左手分量和右手分量原來是兩種不同的費密子，各自只有兩個分量，只是因為它們與真空中凝聚的標量粒子相耦合，從而在這種真空背景下它們可以互相轉化，才被稱為同一粒子的不同分量，併合成為具有四個分量的有質量的費密子。用這種方式在理論中引入輕子質量，既可不破壞原來的對左右手分量有別的對稱性（見手徵對稱性），因而能適應弱作用宇稱不守恆的需要，又保證了自發破缺後剩餘下來的電磁規範作用對左右手是對稱的。因為按上式配成的左右手分量對於仍然守恆的量子數──電荷，必定具有相同的值。至於中微子，則因為它不通過標量粒子與其他二分量費密子耦合，故保持質量為零。它雖然只有左手分量從而不是左右對稱的，但它不帶電荷，故對電磁作用的左右對稱性沒有影響。

在此模型中，左手電子eL和相應的中微子veL構成弱同位旋二重態並帶弱超荷-1，右手電子eR為弱同位旋單態並帶弱超荷-2。其他輕子情況類似。當標量粒子發生真空凝聚後，只有一個量子數所相應的規範對稱性沒有被破壞，它就是電荷，所相應的算符用孶表示

，

其中

慸

3為弱同位旋第三分量。與電荷相應的規範玻色子保持無質量，即光子Aλ。Aλ為W庢和Bλ的某種混合

，

其中θW代表混合角，稱為溫伯格角，它可通過弱同位旋耦合常數g和弱超荷耦合常數g′的比表示出來

tgθW=g′/g。

W庢和Bλ的另一個組合

，

以及W廰、W憳都獲得質量，理論預言的值為

Z悎所耦合的中性弱流具有下述形式

，

耦合常數為g/cosθW。

標量粒子的四個實分量中，有三個成為戈德斯通粒子，並已吸收到W廰、W憳和Z悎中，剩下的一個為有質量的中性標量粒子，稱作黑格斯粒子。

溫伯格和薩拉姆曾猜想這種自發破缺的規範場理論仍然是可重正化的，但未能給出證明。1971年G.霍夫特論證了它的可重正性。1972年，B.W.李和J.津恩－朱斯坦以及霍夫特和M.維爾特曼進一步給出了這種理論可重正化性的詳盡證明。

格拉肖-溫伯格-薩拉姆理論在其提出來的當時，還存在一個問題，即如何推廣應用到強作用粒子（在夸克理論中即推廣到夸克）上去。困難在於如何在理論中避免奇異數改變的中性弱流的出現（實驗表明此種弱流不存在）。不過到1971年時，這個問題實際上已有現成的解決辦法。1970年格拉肖、J.伊略普洛斯和L.邁安尼對奇異數改變的中性弱流問題進行了分析。由於當時尚不知道有任何可重正化的理論，他們用了截斷的處理。在此項工作中他們論證了對於已知的各類弱作用模型（如四費密子作用，帶電中間玻色子作用，電弱統一作用），都會出現一些實驗上未觀察到的效應，如K1、K2大質量差、K→πv尌衰變等，除非強作用粒子服從某種約束。他們指出，若存在第四種夸克（粲夸克），即可在理論中消去這些不期望的效應。

有了格拉肖-伊略普洛斯-邁安尼機制，就不難把格拉肖-溫伯格-薩拉姆模型推廣到強作用粒子。這隻要補進去四個右手夸克的弱同位旋單態uR、dR、sR、cR和兩個左手夸克的弱同位旋二重態

即可。式中θσ為卡比玻角。為使夸克帶分數電荷，應假設右手夸克uR和cR帶弱超荷

，dR和sR帶弱超荷

，而左手夸克二重態帶弱超荷

。

這樣到1971年，一個完整的電弱統一理論模型已經形成。同時實驗技術也有了很大發展，特別是已有了中微子束可以進行中性弱流實驗。1973年F.J.哈塞爾特和A.本韋努蒂等在歐洲核子中心(CERN)和美國費密國家加速器實驗室都測到了中性弱流反應的事例，其形式和強度與理論預言的一致。在那以後的五年中，實驗結果有些混亂，致使一些理論物理學家提出了不少修改方案，但到後來，實驗仍支援原來的模型(稱為標準模型)。目前定出的sin2θW的值約為0.215。1983年在歐洲核子中心已經發現了W±粒子和Z0粒子。目前定出的質量值分別81.2GeV和92.5GeV左右，與電弱統一標準模型的預言一致。這些情況表明，格拉肖-溫伯格-薩拉姆理論已取得巨大的成功，成為一個經過實驗檢驗的科學理論。電弱統一理論的建立是近代物理學的一個重大突破。

目前，電弱統一標準模型中唯一尚未發現的就只是黑格斯粒子。理論上沒有對黑格斯粒子質量值有什麼預言，因此它尚未被發現，還不構成理論的一個困難。但是電弱統一理論也有不足的地方。首先，從某種意義上說，這還不是一個真正統一理論，因其中含有兩個規範群，有兩個獨立的耦合常數g和g′。第二，沒有解釋為什麼電荷是量子化的。第三，其中含有太多的參量，主要是標量粒子的各種自作用耦合常數以及標量粒子與各費密子間的耦合常數。這就給粒子物理提出了新的研究課題，理論物理學家們正對這些問題作進一步的探索。