91 麻豆
2004年的三位诺贝尔物理学奖得主，从左至右轮番为：格罗斯、波利策、维尔切克。图源：诺奖官网
导读：
今天，要领模子小史专栏，迎来了该系列的收官之作——量子色能源学的诱导。
量子色能源学得手地解释了基本粒子之间的强互相作用。至此，要领模子完成了对于基本粒子互相作用的齐全态状——电磁互相作用、弱互相作用和强互相作用。
但是，要领模子并不包括引力，也无法解释某些风物，诸如暗物资和暗能量。万物表面恰是在此布景下忽视，但愿能将整个四种基本互相作用（强、弱、电磁和引力）斡旋在一个框架中。但是，确凿能有一个表面来解释整个的基本互相作用吗？咱们还莫得谜底。接待读者一又友们在文末共享你的视力。
邢志忠 | 撰文
1964岁首，好意思国物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）为了系统地态状那时已知的介子和重子的内在结构，忽视了知名的SU(3)夸克模子 [1] 。该模子包含领有+2/3电荷的上夸克以及领有-1/3电荷的下夸克和奇异夸克，因此质子由两个上夸克和一个下夸克组成，而中子则由一个上夸克和两个下夸克组成。但夸克行动自旋等于1/2的费米子，死守家喻户晓的费米-狄拉克（Fermi-Dirac）统计和泡利不相容旨趣（Pauli exclusion principle），这使得某些强子——诸如由三个全同上夸克组成的重子的合感性成为一个相称严重的表面问题（即，全同粒子不成处于全同的量子态）。不仅如斯， 中的三个上夸克由于电荷疏导而互相抹杀，需要电中性的新粒子——即所谓的“胶子”（gluon）在夸克之间传递比电磁力宏大得多的诱骗力才调将它们粘合在沿途。针对这两个问题所开展的一系列表面和执行计议，铺平了通往态状强互相作用的规范表面——量子色能源学(quantum chromodynamics)的说念路。
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1. 量子色能源学的出身
1964年10月底，好意思国表面物理学家奥斯卡·格林伯格（Oscar Greenberg）为了科罚 重子的夸克组分与泡利不相容旨趣之间存在的矛盾，忽视了所谓“仲夸克”（paraquark）的想法，相称于给 中的三个上夸克赋予了互不疏导的新量子数。他的论文从投稿到庄重发表在好意思国物理学会垄断的《物理指摘快报》（Physical Review Letters）期刊上，仅用了短短的三周时代 [2] ，岂论在那时和当今齐可谓神速。格林伯格所引进的全新内禀量子数，便是其后被“起名群众”盖尔曼定名为“色”（color）的量子数。
据日本物理学家益川敏英（Toshihide Maskawa）在其自传《浴缸里的灵感》一书中回忆 [3]，盖尔曼领先收受了法国国旗上的三种颜料来界说夸克的三种色量子数，即红色、白色和蓝色。但不久之后表露到，既然当然界并不存在解放夸克，那么将整个重子和介子齐设定为无色或纯白的粒子才更合理，即佩戴荫庇色量子数的夸克组成无色的强子。于是他将夸克的色荷从头界说为红（R）、绿（G）和蓝（B），三色迭加在沿途酿成不代表任何色量子数的白色，这也顺应粗拙东说念主的生存学问。如斯这般， 重子等分手佩戴红、绿和蓝色荷的三个夸克不错组成形如(RGB-RBG+BRG-BGR+GBR-GRB)的波函数，后者对于交换纵情两个夸克齐是反对称性的，因此清闲泡利不相容旨趣。
在夸克模子的框架内，组成重子的三个夸克分手佩戴红、绿和蓝量子数，而组成介子的夸克和反夸克分手佩戴任一种颜料特殊反色。轻子、传递电磁力的光子以及传递弱核力的 和 玻色子等基本粒子不佩戴色量子数，因此中子的贝他衰变历程在夸克头绪上其实是中子中某一颜料的下夸克通过带电流弱互相作用滚动成兼并颜料的上夸克，如图所示。
1969年8月下旬，以好意思国物理学家杰罗姆·弗里德曼（Jerome Friedman）、亨利·肯德尔（Henry Kendall）和理查德·泰勒（Richard Taylor）为中枢成员的执行组，运用高能电子束流轰击液态氢原子靶 [4]，发现大角度散射事例远多于在假定质子里面无带电荷的点状结构时所预期的事例数，且散射截面在动量革新较大时并莫得变得很小，后者顺应好意思国物理学家詹姆斯·比约肯（James Bjorken）所预言的深度非弹性散射的标度性（Bjorken scaling）——即其结构函数在大动量革新的情况下只依赖动量革新和能量革新之比 [5]。比约肯标度性锐利地暗意了质子和中子等强子是由点状的基本粒子组成的。
不久之后，盖尔曼的应承义查德·费曼（Richard Feynman）撰文指出，高能电子与质子的深度非弹性散射截面不错抒发为质子里面点状组分与电子发生非接洽弹性散射截面的总数，而这些点状粒子被费曼称作“部分子”（parton）[6]，后者其实与盖尔曼的“夸克”在物理上统统等价。于是夸克的实在存在得到了令东说念主信服的实考据据。
另一方面，盖尔曼等表面物理学家发现：倘若忽视夸克的色量子数，表面量度和执行成果会出现昭彰的背离。如较高能量的正负电子对撞产生多样强子的反馈截面与产生正反“缪轻子”（μ）对的反馈截面之比，将比执行测量值小3倍，而中性“派介子”（π）衰变到双光子的反馈率将比执行测量值小9倍 [7]。因此，夸克领有色量子数的表面预言也得到了接洽执行的有劲援手。但随之而来的问题是：在夸克之间传递强互相作用的矢量玻色子——胶子，是否也应该领有五颜六色的量子数？
谜底是确定的，胶子是佩戴“色荷”、自旋为1的无质料玻色子，与传递电磁力的光子很不疏导。基于群论的涌现，三种色和三种反色整个不错酿成九种组合，但其中的色单态——即由每种色和反色的线性组合组成的无色胶子需要撤废，因为当然界并不存在解放胶子。另外八种胶子则属于色八重态的成员 [8]，它们便是强核力的传播子，和夸克相似长期被囚禁在空间极其狭窄的强子里面。
倘若胶子确乎存在于强子里面，它们必定会像夸克那样大要在某些高能物理执行中展示出可不雅测效应。1976年，在欧洲核子计议中心（CERN）表面部职责的英国物理学家约翰·埃利斯（John Ellis）和格雷厄姆·罗斯（Graham Ross）以及好意思国物理学家玛丽·盖拉德（Mary Gaillard）互助发表了一篇题为“在正负电子磨灭中寻找胶子”（Search for gluons in e+e- annihilation）的论文 [9]，初度指出高能正负电子磨灭产生正反夸克对的同期，也会有一定概率产生胶子（如图所示），因此该反馈的末态夸克、反夸克和胶子在强子化后，因动量守恒可在空间中兼并平面酿成沿三个不同场所散播的强子喷注。1979年夏天，汉堡大学的比约恩·维克（Bjoern Wiik）所指挥的海外互助组在德国电子同步加快器中心（DESY）的正负电子对撞执行中居然发现了三喷注强子事例[10]，初度令东说念主信服地阐发了胶子的存在。
小二先生 调教
1973年10月，盖尔曼与正在加州理工学院拜访的两位后生学者——德国表面物理学家哈拉尔德·弗里奇（Harald Fritzsch）和瑞士表面家海因里希·劳伊特韦勒（Heinrich Leutwyler）互助，完成一篇题为“色八重态胶子图像的优厚性”（Advantages of the color octet gluon picture）的遑急论文，将SU(3)色对称性界说为局域的规范对称性，由此写出了以杨—米尔斯（Yang-Mills）场论为基础、以佩戴色量子数的夸克和胶子为粒子组分的强互相作用表面的基本容貌。该论文于夙昔11月下旬庄重发表在欧洲物理学会垄断的《物理快报》（Physics Letters）期刊上 [11]，记号着态状强核力的要领表面“量子色能源学”的庄重出身。
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2. 强核力的渐近解放属性
电子或中微子与核子的深度非弹性散射执行成果标明，比约肯标度性的存看重味着复杂的强互相作用表面在大动量有顷息不错简化为解放场表面。换句话说，强核力领有渐近解放（asymptotic freedom）的属性，即表征其强度的有用耦合常数跟着能标的增高而减小，因此夸克之间的距离越近，其互相诱骗力反而越小。这少许与电磁互相作用很不疏导。
1972年6月，年青的荷兰物理学家格拉尔杜斯·特胡夫特（Gerardus ‘t Hooft）在法国马赛机场遭受了德国资深物理学家库尔特·西曼切克（Kurt Symanzik）。西曼切克说，他有一个具有负耦合常数的标量场模子似乎展现出渐近解放活动的初步猜思。特胡夫特对此很感兴致，兴盛地涌现，我方推断了领有SU(2)或SU(3)规范群结构的杨—米尔斯场论的有用耦合常数随能标演化的重正化群效应，发现该表面在费米子场和标量场的数量不太多的情况下领有渐近解放属性。西曼切克并不深信特胡夫特的这一不同寻常的表面发现，但如故饱读动他写成论文并尽快发表 [12]。
特胡夫特
很可惜，特胡夫特对西曼切克这位老前辈的友好建议并没太当回事。一个遑急原因在于，特胡夫特那时对强互相作用的执行发达和接洽表面计议知之甚少，还忽视了意大利物理学家乔治·帕里西（Giorgio Parisi）次年发表的一篇论文 [13]。在这篇论文中，帕里西照旧征询了用西曼切克忽视的“貌似”渐近解放的标量场模子解释深度非弹性散射执行所不雅测到的“比约肯标度性”的可能性。进一步的计议标明，西曼切克的标量场模子和量子电能源学其实齐不具有渐近解放属性 [14]，而杨—米尔斯场论才是唯独具有渐近解放属性的粒子物理学表面。于是，特胡夫特缺憾地与“渐近解放”擦肩而过。
1973年6月下旬，两篇说明以杨—米尔斯规范对称性为基础的强互相作用表面具有“渐近解放”属性的论文横空出世，并肩发表在《物理指摘快报》上 [15，16]。前一篇论文的作家是普林斯顿大学的大卫·格罗斯（David Gross）和他的博士计议生弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek），后一篇论文由哈佛大学的博士计议生大卫·波利策（David Politzer）寂然完成的。他们的职责不仅为比约肯标度性提供了坚实的表面基础，而且合理地解释了强子的“色顽固”特征。三东说念主因此共享了2004年的诺贝尔物理学奖。
从左至右轮番为：格罗斯、波利策、维尔切克
令东说念主颇感意思的是，为什么格罗斯和维尔切克的论文与波利策的论文同期发表在兼并期刊？对于这少许，波利策在斯德哥尔摩的获奖演说中给出了谜底 [17] ：
“我逐步而仔细地完成了对于杨—米尔斯表面的贝塔函数的推断。…从对终末的负号深感无望到对可能发生的事情兴盛不已，这一行变没费我若干时代。我打电话给导师西德尼·科尔曼（Sidney Coleman）。他耐烦性听着，然后说成果很风趣。不外依照科尔曼的说法，我昭彰犯了个诞妄，因为大卫·格罗斯和他的学生照旧完成了疏导的推断，他们发现成果是正号。在推断的可靠性方面，科尔曼似乎对东说念主家比对我更有信心，毕竟他们是由两个东说念主组成的团队，而且其中包括一位教悔丰富的表面家；而我仅仅一个单兵作战的年青学生。我说那我再查验一遍。梗概一周以后，我再次给科尔曼打电话，告诉他我并莫得发现先前的推断有任何诞妄。科尔曼说是的，他知说念了，因为普林斯顿团队照旧发现了他们我方的诞妄，他们把诞妄改造了，况兼照旧将论文投给了《物理指摘快报》……”
听说恰是由于科尔曼的前期寄语和后期干与，才使得格罗斯和维尔切克趁早发现了他们的推断诞妄，也使得波利策实时整理和发表了我方的推断成果。与日本表面物理学家汤川秀树（Hideki Yukawa）相似，波利策亦然凭借学术处女作荣获诺贝尔奖的，尽管他似乎对只得到三分之一的奖金并不舒心。但毫无疑问，与特胡夫特比拟，波利策的命运算是许多了。
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3. 大斡旋表面之梦
电弱斡旋表面和量子色能源学的得手，使得杨—米尔斯规范对称性成为构建量子场论的最遑急辅导原则之一。换句话说，粒子物理学要领模子中的电磁、弱和强互相作用拉格朗日量分手纳降U(1)、SU(2)和SU(3)定域规范不变性，其中电磁U(1)对称性和SU(3)色对称性保捏守恒，而弱互相作用的SU(2)对称性则因布罗特—恩格勒—希格斯机制（Brout-Englert-Higgs mechanism）导致其自觉破缺，产生有质料的传播子（即 和 玻色子）。由于上述三种规范群互不隶属，因此对应的三种力的强度也各不疏导，相应的缜密结构常数在电弱能标隔壁的值分手约等于0.8%（电磁力）、3%（弱核力）和10%（强核力），呈现出权臣的等第性。
鉴于波利策等东说念主照旧说明了含非阿贝尔SU(2)和SU(3)规范群的杨—米尔斯场论具有渐近解放的属性——即其互相作用强度随能标的增高而收缩，而基于阿贝尔U(1)规范对称性的电磁互相作用强度随能标的增高而增强，东说念主们当然意思：三种基本互相作用的耦合常数是否会在某一超高能标处收集成少许，从而得以构建一个实在风趣上的大斡旋表面（grand unification theory，简写为GUT）。
第一个大斡旋表面是在1974年由哈佛大学的霍华德·乔吉（Howard Georgi）和谢尔登·格拉肖（Sheldon Glashow）互助忽视的，其规范群是能同期容纳电磁力、弱核力和强核力的SU(5)群，后者也能在一定进度上将轻子和夸克斡旋起来 [18] 。他们的论文从投稿到庄重发表在《物理指摘快报》，只花了两周时代，迄今为止照旧被援用5800余次。这一表面最诱骗眼球的预言是最富厚的原子核——质子的寿命是有限的，总有一天会发生衰变，比如通过 π 历程滚动为更轻的粒子（如图所示 [19] ）。不外质子的衰变风物于今尚未被发现，其寿命照旧被多样执行狂妄在 年以上，从而排猬缩了SU(5)大斡旋模子的原始版块。
但新的大斡旋模子成千上万，其中最具代表性的是弗里奇和他的瑞士互助者彼得·闵可夫斯基（Peter Minkowski）于1975年3月忽视的SU(10)大斡旋表面 [20]。该模子也存眷了轻子和夸克之间的对称性，因此引入了电弱斡旋模子华夏本缺失的右手中微子场，使得它既保捏了一般大斡旋表面的优点，又能当然地解释中微子的狭窄质料和寰宇的物资与反物资不合称风物，可谓一石多鸟。
家喻户晓，爱因斯坦（Albert Einstein）晚年曾试图运用纯几何学将电磁力和引力斡旋起来，但他的诸多尝试长期莫得取得得手。在爱因斯坦之后，繁密卓绝灵敏的表面物理学家前赴后继，得手地构建了粒子物理学的要领表面和寰宇学的要领表面，并从多样可能的路线向基础物理学和寰宇学斡旋表面的巅峰——“万物表面”（The theory of everything）进发。尽管尚未看见告捷的朝阳，但不错预料的是，畴昔的表面家们确定会比爱因斯坦走得更远！
作家简介：
邢志忠，中国科学院高能物理计议所计议员，计议范畴为基本粒子物理学。著有原创科普史籍《中微子漂流之谜》，译著包括《你错了，爱因斯坦先生！》《更正寰球的方程》《希格斯》等。座右铭为“一个东说念主偶尔离谱并不难，难的是一辈子齐不奈何靠谱。”
参考文件：（险阻滑动可浏览）
[1]M. Gell-Mann， “A schematic model of baryons and mesons”， Phys. Lett. 8 (1964) 214—215
[2]O.W. Greenberg， “Spin and unitary-spin independence in a paraquark model of baryons and mesons”， Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 598—602
[3]益川敏英，《浴缸里的灵感》，那日苏译，科学出书社（2010）
[4]E.D. Bloom et al.， “High-energy inelastic e p scattering at 6-degrees and 10-degrees”， Phys. Rev. Lett. 23 (1969) 930—934; M. Breidenbach， “Observation behavior of highly inelastic electron-proton scattering”， Phys. Rev. Lett. 23 (1969) 935—939
[5]J.D. Bjorken， “Asymptotic sum rules at infinite momentum”， Phys. Rev. 179 (1969) 1547—1553; J.D. Bjorken， E.A. Paschos， “Inelastic electron-proton and g-proton scattering and the structure of the nucleon”， Phys. Rev. 185 (1969) 1975—1982
[6]R.P. Feynman， “Very high-energy collisions of hadrons”， Phys. Rev. Lett. 23 (1969) 1415—1417
[7]W.A. Bardeen， H. Fritzsch， M. Gell-Mann， “Light cone current algebra， decay and annihilation”， contribution to the Topical Meeting on the Outlook for Broken Conformal Symmetry in Elementary Particle Physics， May 1972， Frascati， Italy (e-Print: hep-ph/0211388)
[8]H. Fritzsch， M. Gell-Mann， “Current algebra: Quarks and what else?”， in Proceedings of the 16th International Conference on High Energy Physics， Chicago， 1972 (e-Print: hep-ph/0208010)
[9]J. Ellis， M.K. Gaillard， G.G. Ross， “Search for gluons in annihilation”， Nucl. Phys. B 111 (1976) 253¾271
[10]R. Brandelik et al. (TASSO Collaboration)， “Evidence for planar events in annihilation at high energies”， Phys. Lett. B 86 (1979) 243—249
[11]H. Fritzsch， M. Gell-Mann， H. Leutwyler， “Advantages of the color octet gluon picture”， Phys. Lett. 47B (1973) 365-368
[12]G. ‘t Hooft， “The birth of asymptotic freedom”， Nucl. Phys. B 254 (1985) 11-18
[13]G. Parisi， “Deep inelastic scattering in a field theory with computable large-momenta behavior”， Lett. Nuovo Cim. 7 (1973) 84-88
[14]A. Zee， “Study of the renormalization group for small coupling constants”， Phys. Rev. D 7 (1973) 3630-3636
[15]D.J. Gross， F. Wilczek， “Ultraviolet behaviors of non-Abelian gauge theories”， Phys. Rev. Lett. 30 (1973) 1343—1346
[16]H.D. Politzer， “Reliable perturbative results for strong interactions?”， Phys. Rev. Lett. 30 (1973) 1346—1349
[17]H.D. Politzer， “The dilemma of attribution”， Int. J. Mod. Phys. A 20 (2005) 5741—5752; Rev. Mod. Phys. 77 (2005) 851—856
[18]H. Goergi， S.L. Glashow， “Unity of all elementary-particle forces”， Phys. Rev. Lett. 32 (1974) 438—441
[19]T. Ohlsson， “Proton decay”， Nucl. Phys. B 993 (2023) 116268
[20]H. Fritzsch， P. Minkowski， “Unified interactions of leptons and hadrons”， Annals Phys. 93 (1975) 193—266
本文转载自《赛先生》微信公众号
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