物 質(zhì) 世 界 的 對 稱 性 破 缺

        中國科學(xué)院高能物理研究所  邢志忠 周順

     關(guān)鍵詞 自發(fā)對稱性破缺 CP對稱性破壞 宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱
?    對稱性可以作為工具幫助我們理解自然規(guī)律,比如,時間(空間)平移不變性意味著能量(動量)守恒,而空間旋轉(zhuǎn)不變性對應(yīng)于角動量守恒。然而，自然界中的對稱性絕大部分是破缺的。

1956年，李政道和楊振寧提出了弱相互作用過程中的宇稱不守恒，而此前人們普遍認(rèn)為物理規(guī)律具有坐標(biāo)反演或鏡像對稱,即宇稱P應(yīng)該是一個守恒的量子數(shù)。1957年吳健雄等科學(xué)家的實驗發(fā)現(xiàn)在弱相互作用中宇稱發(fā)生大程度的破缺，從而驗證了李政道和楊振寧的假說?？紤]到弱相互作用中也不存在電荷共軛變換C的不變性,一些理論家猜想C和P的聯(lián)合變換也許是弱相互作用的守恒量?？墒?，這一觀點在1964年被證明是錯誤的，因為科洛恁和費馳等人在奇異介子的衰變實驗中首次觀測到了微小的CP破壞效應(yīng)。

2008年度的諾貝爾物理學(xué)獎授予美籍日本理論物理學(xué)家南部陽一郎和日本理論物理學(xué)家小林誠與益川敏英。南的主要貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了亞原子物理學(xué)中的對稱性自發(fā)破缺機制,小林和益川的主要貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了弱電規(guī)范相互作用中CP對稱性破壞的起源，并由此預(yù)言自然界中存在三代夸克。

1.南部與對稱性自發(fā)破缺

1911年，荷蘭物理學(xué)家昂納斯發(fā)表了一個驚人的實驗結(jié)果:當(dāng)溫度降到4.2K時,水銀的電阻突然消失了。他將物質(zhì)的這種特性稱為超導(dǎo)電性。1933年，德國物理學(xué)家邁斯納和奧克森菲爾德發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體具有完全抗磁性,即處在外磁場中的超導(dǎo)體內(nèi)部的磁場強度為零。基于已有的實驗證據(jù)和已提出的唯象模型,美國物理學(xué)家巴丁、庫珀和施里弗在1957年提出了解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀理論(BCS理論)。簡單來講,超導(dǎo)體內(nèi)部物理機制的描述可以歸結(jié)為電子和金屬離子之間的電磁相互作用：在費米面附近的電子之間可以存在相互吸引的作用力,它由交換聲子(即晶格振動的量子)來實現(xiàn)。當(dāng)兩個電子之間的這種相互吸引力超過庫侖排斥力的時候,它們便結(jié)合成對（稱庫珀對）。庫珀對在動量空間的凝聚導(dǎo)致超導(dǎo)態(tài)和正常態(tài)之間產(chǎn)生有限的能隙，物質(zhì)的超導(dǎo)狀態(tài)就是這些庫珀對的群體效應(yīng)。

1959年,南部試圖從量子場論的角度來理解BCS超導(dǎo)理論。他認(rèn)為超導(dǎo)體內(nèi)部的電子和金屬離子之間是電磁相互作用,后者可以用阿貝爾規(guī)范理論來描述,于是應(yīng)考慮BCS理論是否規(guī)范不變?

超導(dǎo)體中的庫珀對是自旋相反的兩個電子,總電荷為-2e,即該系統(tǒng)的基態(tài)破壞規(guī)范不變性。南部發(fā)現(xiàn)從BCS理論推導(dǎo)出超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)依賴于規(guī)范的選擇,而實際上所有的結(jié)論都可以通過與規(guī)范無關(guān)的方式得到。這個分析是理論物理學(xué)家利用對稱性來理解超導(dǎo)現(xiàn)象所邁出的重要一步，正如著名理論家溫伯格強調(diào)的那樣,超導(dǎo)現(xiàn)象背后的物理機制是對稱性及其破缺,理解超導(dǎo)理論的關(guān)鍵在于對稱性的自發(fā)破缺：我們只要假設(shè)存在U(1)連續(xù)對稱性的規(guī)范理論自發(fā)破缺到Z2子群,就可以推導(dǎo)出邁斯納效應(yīng)等超導(dǎo)現(xiàn)象。

在BCS理論建立的同一年,費曼和蓋爾曼提出了弱相互作用的V-A理論。他們指出,如果強子部分的矢量流守恒,那么在μ輕子衰變和費米型β衰變中的弱相互作用耦合常數(shù)的一致性就很容易理解。他們進(jìn)一步猜想軸矢流可能也是守恒的。隨后的理論研究表明,軸矢流守恒導(dǎo)致的結(jié)果可以被實驗排除,因為π介子衰變到帶電輕子或中微子的過程是禁戒的。1960年2月,南部向美國《物理評論快報》提交了一篇僅一頁半的論文,指出軸矢流守恒可在π介子質(zhì)量為零的極限情況下得到。他在文中最后寫道：“如果重子是由一些基本的費米場ψ組成,而費米場在變換ψ※exp(iε·τγ5)ψ下是不變的,那么就會出現(xiàn)守恒的軸矢流?！庇纱丝梢钥闯?，南部猜測重子可能有更深層次的結(jié)構(gòu),這比蓋爾曼和茨威格正式提出強子的夸克模型早了近四年。南部還類比了超導(dǎo)的BCS理論,指出“超導(dǎo)現(xiàn)象中的規(guī)范不變性、能隙和集體激發(fā)在這里可以替換成γ5變換不變性、重子質(zhì)量和介子。有意思的是,贗標(biāo)介子作為束縛態(tài)會自動出現(xiàn)在理論中?！?SPAN lang=EN-US>1960年10月,南部與其意大利合作者約納·拉西尼奧對上述問題做了進(jìn)一步研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)有質(zhì)量為零或近似為零的贗標(biāo)量粒子出現(xiàn)時,就意味著理論中一個精確的或近似的對稱性自發(fā)破缺了。這一系列工作表明南部首先將對稱性自發(fā)破缺機制引入到基本粒子物理學(xué)領(lǐng)域。

究竟什么是對稱性自發(fā)破缺?考慮一個無窮維的物理體系,如果該系統(tǒng)的拉氏量在某個對稱群變換下保持不變,當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變到不滿足這種對稱性的基態(tài)時,我們就稱之為系統(tǒng)的對稱性發(fā)生了自發(fā)破缺。例如,鐵磁材料在居里溫度之上因為沒有磁化而具有空間旋轉(zhuǎn)不變性,這時描述鐵磁體的原子理論同樣具有這種對稱性。當(dāng)溫度降到居里溫度以下,鐵磁體出現(xiàn)某個方向的磁化,于是三維空間的旋轉(zhuǎn)不變性被破壞,即系統(tǒng)的對稱性出現(xiàn)了自發(fā)破缺。超導(dǎo)體是由電磁相互作用來描述的,這里規(guī)范對稱群是定域的U(1)群,帶電荷q的費米場依照ψ※exp(iqΛ)ψ的形式變換。由于q必然是電子電荷e的整數(shù)倍,所以相位Λ和(Λ+2π/e)可以認(rèn)為是等價的。當(dāng)該體系處于超導(dǎo)態(tài)時,庫珀對電荷數(shù)為2,而且其在基態(tài)的真空期望值不為零,所以系統(tǒng)此時只有包含對應(yīng)Λ=0和Λ=π/e變換的對稱群,即Z2循環(huán)群。

1961年,英國理論家哥德斯通發(fā)表了一篇題為“具有超導(dǎo)解的場論”的文章。他指出,在量子場論中當(dāng)系統(tǒng)的拉氏量的連續(xù)對稱性自發(fā)破缺時,會出現(xiàn)質(zhì)量為零的玻色子。雖然哥徳斯通只是舉例說明了零質(zhì)量粒子的出現(xiàn),但他認(rèn)為這個結(jié)論是一般成立的。這個重要的猜想在1962年得到哥德斯通、薩拉姆和溫伯格嚴(yán)格地證明，因而對這類伴隨對稱性自發(fā)破缺的零質(zhì)量粒子稱為南部-哥德斯通玻色子。南部和約那·拉茲尼奧的文章主要討論的是強相互作用和近似手性對稱的自發(fā)破缺,其中質(zhì)量很輕的介子為贗南部-哥德斯通玻色子。應(yīng)該注意的是,這里的介子與湯川理論中的大不相同,后者是傳遞強相互作用的媒介,而南部的模型中所討論的介子是束縛態(tài)。

對稱性的自發(fā)破缺之所以重要,是因為它直接引導(dǎo)了弱電相互作用標(biāo)準(zhǔn)模型的建立。1964年,英國理論家希格斯等人發(fā)現(xiàn),如果系統(tǒng)具有連續(xù)的局域?qū)ΨQ性（規(guī)范對稱性）,那么該對稱性的自發(fā)破缺并不會引入質(zhì)量為零的南部-哥德斯通玻色子,而是使相應(yīng)的規(guī)范玻色子獲得質(zhì)量。按照這種觀點的規(guī)范對稱性自發(fā)破缺形式，后來被稱作希格斯機制。其實，基于連續(xù)群SU(2)的規(guī)范理論早在1954年就由楊振寧和米爾斯提出來了。由于當(dāng)時都認(rèn)為弱相互作用只可能是由有質(zhì)量的規(guī)范玻色子傳遞,在拉氏量中加入規(guī)范場的質(zhì)量項是破壞規(guī)范的不變性，致使他們的工作在近十年的時間都沒有引起重視?，F(xiàn)在希格斯機制正好提供了一種利用對稱性自發(fā)破缺產(chǎn)生規(guī)范玻色子質(zhì)量的可能性。1967年,溫伯格首次完整地建立了用SU(2)L/U(1)Y規(guī)范理論結(jié)合希格斯機制來統(tǒng)一描述弱相互作用和電磁相互作用的模型,也就是現(xiàn)在被稱作弱電統(tǒng)一理論的標(biāo)準(zhǔn)模型。為了實現(xiàn)規(guī)范對稱性的自發(fā)破缺,溫伯格引進(jìn)了一個在SU(2)群變換下的標(biāo)量二重態(tài),含有四個新的自由度。當(dāng)弱電對稱性自發(fā)破缺后,規(guī)范玻色子吸收掉三個南部-哥德斯通粒子(對應(yīng)于群的生成元)而獲得質(zhì)量,剩余的自由度對應(yīng)一個標(biāo)量粒子,叫做希格斯粒子。弱電統(tǒng)一理論與描述強相互作用的量子色動力學(xué)一起被稱為基本粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。當(dāng)時，標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的規(guī)范玻色子已在實驗中全部被發(fā)現(xiàn),僅有被稱作“上帝粒子”的希格斯粒子還沒有找到。歐洲核子研究中心(CERN)所建大型強子對撞機LHC，一個主要的物理目標(biāo)就是尋找希格斯粒子和驗證弱電規(guī)范對稱性自發(fā)破缺。

2.小林-益川CP破壞機制

盡管溫伯格早在1967年就提出了關(guān)于輕子的弱電規(guī)范相互作用理論,但他的論文在隨后四年時間內(nèi)卻沒有得到學(xué)術(shù)界的任何關(guān)注和引用。1971年和1972年,年輕的荷蘭物理學(xué)博士生特·霍夫特巧妙地證明了溫伯格理論的可重整性,后者才受到廣泛重視,并逐漸發(fā)展成為描述電磁和弱相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型。如今溫伯格那篇發(fā)表于1967年、僅有一頁半長度的歷史性文章已被引用六千六百余次,是基本粒子物理學(xué)領(lǐng)域被引用率最高的學(xué)術(shù)論文。

小林和益川獲2008年諾獎的論文《弱相互作用可重整化理論中的CP對稱性破壞》僅有短短六頁, 完成于1972年9月（當(dāng)時兩人都在京都大學(xué)從事博士后研究），于1973年2月發(fā)表在日本本土的專業(yè)物理學(xué)雜志《理論物理學(xué)進(jìn)展》上。小林和益川把溫伯格模型推廣到強子系統(tǒng),但他們當(dāng)時并沒有采用夸克語言來描述強子的組分,只是使用了相類似的符號。以下面將采用現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)的輕子和夸克語言來描述標(biāo)準(zhǔn)模型和小林與益川的CP對稱性破壞機制。

小林和益川的基本物理思想是找出標(biāo)準(zhǔn)弱電相互作用理論中CP對稱性破壞的來源。我們知道，除了CP守恒的動能項之外,描述基本粒子弱電相互作用的拉氏量在形式上包含五項：

      L=LG，  f+LH，  f+LG，  H+LG+LH

其中G代表規(guī)范玻色子場、H代表希格斯場、f代表費米子(輕子和夸克)場。整個拉氏量滿足定域的SU(2)L/U(1)Y規(guī)范對稱性。我們可以先對矢量場G、標(biāo)量場H和旋量場f的宇稱(P)和電荷共軛(C)變換的性質(zhì)做適當(dāng)?shù)募s定,然后檢驗L的每一項是否滿足CP聯(lián)合變換的不變性。結(jié)果表明,規(guī)范場的自相互作用項LG、希格斯場的自相互作用項LH、規(guī)范場與希格斯場的相互作用項LG,H以及規(guī)范場和費米子場的相互作用項LG,f均可滿足CP對稱性。唯有希格斯場與費米子場的相互作用項LH,f,即通常所謂的湯川相互作用項,可能會破壞C和P聯(lián)合變換的不變性。當(dāng)弱電規(guī)范對稱性自發(fā)破缺后,湯川相互作用項LH,f演變成帶電輕子和夸克的質(zhì)量項，對應(yīng)于M-1(電荷-e的輕子)、M+2/3(電荷+2e/3的夸克)和M-1/3(電荷-e/3的夸克)三個質(zhì)量矩陣。【由于標(biāo)準(zhǔn)模型中不含有右手中微子且假設(shè)輕子數(shù)守恒,故中微子質(zhì)量為零。近年來的中微子振蕩實驗表明,中微子存在微小的靜止質(zhì)量并且輕子家族之間存在很顯著的混合,因而輕子部分可能也存在CP不守恒效應(yīng)。這里我們的討論只限于夸克質(zhì)量、夸克混合與CP對稱性破壞。】由于中微子質(zhì)量為零,總可以通過適當(dāng)?shù)溺壅儞Q把M-1轉(zhuǎn)化成實矩陣,因此帶電輕子的質(zhì)量項在場的CP變換下是不變的。對夸克質(zhì)量矩陣M+2/3和M-1/3而言,夸克場的CP變換將導(dǎo)致M+2/3變?yōu)?SPAN lang=EN-US>M＊+2/3和M-1/3變?yōu)?SPAN lang=EN-US>M＊-1/3。這意味著夸克質(zhì)量項可能是CP不守恒的,除非M+2/3和M-1/3都是實矩陣。

需要注意的是,在拉氏量L中出現(xiàn)的夸克場是弱相互作用本征態(tài)而非質(zhì)量本征態(tài)。通過幺正變換V+2/3M+2/3U+2/3和V-1/3M-1/3U-1/3分別把質(zhì)量矩陣M+2/3和M-1/3對角化,我們進(jìn)而可以把兩個夸克質(zhì)量項分別用相應(yīng)的夸克質(zhì)量本征值和本征態(tài)來表示。這樣的基變換使得夸克質(zhì)量項不再破壞CP對稱性,但同時使得從LG,f項經(jīng)過弱電對稱性自發(fā)破缺而衍生出來的帶電流相互作用項LW±(描述W±規(guī)范粒子與不同電荷的夸克之間的相互作用)依賴于一個幺正矩陣VCKM=V +2/3V-1/3。該幺正矩陣就是夸克混合矩陣,通常被稱作CKM矩陣（C代表意大利理論家卡比堡,K和M分別代表小林和益川）。倘若VCKM包含不平庸的復(fù)相位,那么LW±在CP變換下將是不守恒的。換句話說,VCKM是否為實矩陣決定了標(biāo)準(zhǔn)弱電模型是否具有CP不變性。

當(dāng)卡比堡于1963年引入著名的卡比堡角來解釋夸克弱相互作用本征態(tài)與質(zhì)量本征態(tài)之間的不匹配時,他實際上相當(dāng)于取了上面的VCKM為2×2的實正交矩陣,因而相應(yīng)的LW±項并不破壞整個理論的CP不變性。小林和益川發(fā)表于1973年的文章直接從拉氏量出發(fā),在逐一檢查了各個相互作用項的CP變換性質(zhì)之后,把可能的CP破壞的根源歸結(jié)于帶電流相互作用中的VCKM。他們發(fā)現(xiàn),如果只存在兩代四個夸克,那么VCKM總可以通過重新定義非物理的夸克場相位而轉(zhuǎn)變成一個2×2的實正交矩陣。他們進(jìn)一步指出,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)弱電模型包含三代六個夸克時,3×3的幺正矩陣VCKM可以被三個歐拉角和一個復(fù)相位參數(shù)化,后者就是CP破壞的來源。事實上,第四個夸克(電荷為+2e/3的夸克)直到1974年11月才分別被丁肇中和瑞克特領(lǐng)導(dǎo)的實驗組發(fā)現(xiàn),而第三代的b夸克(電荷為-e/3)和t夸克(電荷為+2e/3)則分別于1977年和1995年在高能物理實驗中被發(fā)現(xiàn)。至于CP破壞本身的實驗證據(jù),可以追溯到1964年科洛恁和費馳等人首次在KL※π+π-衰變中觀測到微小的CP破壞效應(yīng)。隨后人們在中性和帶電K介子的其他衰變道中也發(fā)現(xiàn)了微小的CP不守恒現(xiàn)象。根據(jù)小林和益川的CP不守恒機制,更為明顯的CP破壞效應(yīng)會出現(xiàn)在B※J/ΧKS等B介子衰變中。這一理論預(yù)言于2000年至2001年期間在美國SLAC和日本KEK的B介子工廠中被可靠的實驗證據(jù)所證實。如今VCKM矩陣中的三個夸克混合角和一個CP破壞復(fù)相位都得到了相當(dāng)精確的實驗測量,并且不同的測量方式所取得的結(jié)果相互自洽。瑞典皇家科學(xué)院諾獎的評價是“發(fā)現(xiàn)了破缺的對稱性之根源,從而預(yù)言了自然界中至少存在三代夸克”。小林和益川的獲獎?wù)撐闹链吮粚W(xué)術(shù)界引用5500余次,在高能物理領(lǐng)域之論文中排名第二,僅次于溫伯格的獲獎?wù)撐摹?SPAN lang=EN-US>

3.宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱

盡管小林和益川的CP對稱性破壞機制取得了成功,但是它卻不讠足以解釋可觀測宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱現(xiàn)象。后者可以被看作宇觀尺度的CP對稱性破壞。如何在大爆炸模型的框架之內(nèi)以動力學(xué)的方式令人信服地解釋宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱?這是當(dāng)今基本粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)的最重大前沿課題之一。

反物質(zhì)概念最早由英國物理學(xué)家狄拉克于1928年提出，他建立了描寫自旋粒子的相對論運動方程(即著名的狄拉克方程),并由此預(yù)言了正電子的存在。1932年，安德森在研究宇宙線中發(fā)現(xiàn)了正電子。1933年，狄拉克在諾獎禮上對物質(zhì)與反物質(zhì)之間的對稱性做了精彩的表述。他說：“如果我們在研究自然界的基本物理規(guī)律時接受粒子與反粒子完全對稱的觀點,我們就必須認(rèn)定地球上乃至整個太陽系主要包含電子和質(zhì)子的事實純屬偶然。很有可能在一些其他的星球上情況正好相反,即這些星球主要是由正電子和反質(zhì)子構(gòu)成的。實際情況也許是,半數(shù)的星球由物質(zhì)組成,而另外半數(shù)的星球由反物質(zhì)組成。這兩類星系的光譜完全相同,目前的天文觀測手段無法區(qū)分它們?！?/SPAN>狄拉克這番話代表了一個新宇宙觀的誕生，即整個宇宙包含等量的物質(zhì)與反物質(zhì),而兩者之間是嚴(yán)格對稱的。

然而，迄今為止的天文學(xué)觀測并不支持狄拉克的假說。探測宇宙中的反物質(zhì)有兩種途徑：

首先,如果存在反物質(zhì)組成的星系,我們應(yīng)該能夠在宇宙線中觀測到反質(zhì)子和反原子核,就象我們觀測宇宙線中存在的質(zhì)子和原子核一樣。然而,我們從未在宇宙線中發(fā)現(xiàn)反原子核。雖然我們在宇宙線中觀測到了正電子、反質(zhì)子和反中子,這些反粒子實際上是通過質(zhì)子或原子核與星系氣體以及地球大氣層相碰撞而產(chǎn)生的,它們的數(shù)量與理論計算相符合。

其次,在物質(zhì)與反物質(zhì)相接的區(qū)域,質(zhì)子和反質(zhì)子的湮滅反應(yīng)一定會發(fā)生,從而產(chǎn)生若干帶電及中性的π介子。這些π介子最終衰變成γ光子、電子、正電子、中微子和反中微子。其中γ光子的譜線很特別,其能量應(yīng)在150MeV附近取最大值?？墒翘煳膶W(xué)觀測并沒有發(fā)現(xiàn)這種特殊的γ光子能譜。

因此物理學(xué)家和天文學(xué)家得出結(jié)論:半徑大約為100億光年的可觀測宇宙基本上不含有反物質(zhì),即其整體上不存在物質(zhì)與反物質(zhì)的對稱性。換句話說,宇宙的重子(即質(zhì)子和中子)與反重子(即反質(zhì)子和反中子)不對稱確實存在,盡管它們在大爆炸之初應(yīng)該是成對或等量產(chǎn)生的。

前蘇聯(lián)的氫彈之父薩哈羅夫在1967年指出,宇宙的重子與反重子不對稱可能并不依賴于大爆炸的初始條件,而是從開始的對稱狀態(tài)通過動力學(xué)過程演變成后來的完全不對稱狀態(tài)。要實現(xiàn)這樣的動力學(xué)演變，有三個必要條件，即重子數(shù)破壞、CP對稱性破壞和熱平衡的偏離。弱電相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型原則上滿足上述所有三個條件,但它無法解釋可觀測宇宙的重子數(shù)不對稱之謎(通常用重子數(shù)與光子數(shù)之比nB/nγ≈6.1×10^-10來定量描述)。究其原因有兩點:①.由于除了t夸克以外的其他五個夸克的質(zhì)量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于弱電相變的臨界溫度,所以小林-益川機制所能給出的與宇宙的重子數(shù)不對稱相關(guān)的CP破壞效應(yīng)太小,僅為10^-19的數(shù)量級;②.由于實驗已經(jīng)給出希格斯粒子的質(zhì)量下限為114GeV,這意味著弱電相變的實現(xiàn)只能是次級效應(yīng),因此弱電反常的輕子數(shù)加重子數(shù)破壞過程會始終很強烈,從而沖刷掉重子與反重子之間的不對稱。毫無疑問,合理解釋可觀測宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱現(xiàn)象需要超出小林-益川CP破壞機制的新理論。

國內(nèi)外的理論家和實驗家長期以來一直致力于尋找新的CP破壞之源。有關(guān)研究工作表明,超重的馬約拉納中微子的混合與衰變可望提供足夠大的CP破壞效應(yīng)并導(dǎo)致宇宙的輕子數(shù)不對稱。這過程隨著宇宙的演化和冷卻最終形成重子數(shù)不對稱,從而合理地回答為什么我們今天生活在物質(zhì)世界而不是反物質(zhì)世界這樣一個令人費解的基本問題。這就是著名的Baryo-genesisviaLeptogenesis機制,由日本物理學(xué)家福來正孝和柳田勉在1986年提出。

4.展望

人們期待著在LHC上發(fā)現(xiàn)希格斯粒子,給粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型劃上一個圓滿的句號。然而,很多理論物理學(xué)家卻認(rèn)為情況遠(yuǎn)沒有想象中的那么樂觀,建立完整的粒子物理學(xué)理論還有很長的一段路要走。

首先,雖然描述強相互作用的量子色動力學(xué)在高能區(qū)和實驗觀測一致,但是如何理解低能區(qū)的夸克禁閉現(xiàn)象和強子的性質(zhì)?因此，我們希望將來強相互作用的非微擾理論在更快更準(zhǔn)確的格點計算的幫助下可以有所突破。

其次,質(zhì)量的起源問題長期以來都是困擾物理學(xué)家的重大難題,標(biāo)準(zhǔn)模型雖然預(yù)言費米子通過湯川相互作用在弱電規(guī)范對稱性自發(fā)破缺后獲得質(zhì)量,但關(guān)鍵的希格斯粒子卻至今沒有被找到。中微子振蕩實驗告訴我們中微子是有質(zhì)量的,這是唯一超出標(biāo)準(zhǔn)模型且有充足實驗證據(jù)的新物理。也許將來LHC的實驗結(jié)果可以啟發(fā)我們找到正確的質(zhì)量產(chǎn)生的動力學(xué)機制。

第三,宇宙的物質(zhì)-反物質(zhì)不對稱的產(chǎn)生仍然沒有答案。如果標(biāo)準(zhǔn)模型的CP破壞機制不足以解釋我們?yōu)槭裁创嬖?SPAN lang=EN-US>,那么是否存在新的CP破壞機制呢?此外,暗物質(zhì)和暗能量的本質(zhì)是什么?超高能宇宙線的起源是什么?所有這些和其他基本問題都有待于我們的深入研究和探索。隨著天文學(xué)和宇宙學(xué)觀測的蓬勃發(fā)展,人類對物質(zhì)世界及其基本規(guī)律的認(rèn)識將必然會有重大進(jìn)展。

              （2008年11月14日）