物理|杨-米尔斯规范原理和粒子物理标准模型丨庆贺杨振宁先生百岁华诞( 八 )_标准模型|科学|原子核|科普|科

。图3就显示了规范(场)粒子是弱力的中介粒子，类似于光子是电磁力的中介粒子。图3中波浪线代表的规范粒子的传播子可由(10)式代入杨—米尔斯作用量(11)后

的二次项经过适当处理而得。

图3 弱衰变

的费曼图
在杨—米尔斯的规范场作用量(12)中，弱规范粒子W玻色子是没有质量项
的，因为它会破坏规范不变性。在量子场论的微扰论中，这就意味着弱力应该像电磁力一样是长程力。但是，实验上很早就显示弱力是短程力，相应的中介粒子质量应该很重。这个矛盾在很长的时间内使很多人不相信杨—米尔斯理论可以用于弱作用。后来在1960年代中后期，这个问题，即如何让杨—米尔斯规范粒子获得质量的问题，才通过对称性破缺的观念予以解决。随后弱作用的标准模型于1967年提出，但直到1979年才通过几大加速器关键性实验的验证。
电磁作用和强作用都遵从左右对称性，所以左手和右手夸克和轻子的电磁力 (或者左、右手夸克的强力) 是一样的。电磁作用已知是阿贝尔理论，强作用是非阿贝尔的SU(3)规范理论，轻子没有强作用，只有夸克有强作用。 1960年代末期，大家还是觉得不知道如何用规范理论来描写强作用。因为强力也是短程力，如果要像弱作用那样把强规范力变成短程力，那强力的(规范)对称性也要有自发破缺。但是一时也找不到这样的强力理论可以和研究得相当深入的强子现象学符合。 (所谓强子是指像核子或介子那样的有强作用的夸克复合粒子。 )强子现象学一个重要的定性结论是：不同种类夸克造成的复合粒子，其质量差别主要来源于不同种类夸克之间的质量差。这看来建议强作用规范群与弱作用的SU(2)没有关系，也和对称性自发破缺无关。 1970年代初期，量子场论的微扰论一阶量子修正的计算结果表明，纯正的(即没有自发破缺的)非阿贝尔规范场的杨—米尔斯作用量(12)导致一个以前没有料到的“渐近自由”效应：规范耦合“常数”g 依赖于物理过程的能量尺度而跑动；其变化的趋势和原来熟悉的量子电动力学恰好相反：能量越大，耦合越弱。但是这个趋势恰好符合当时加速器高能散射实验中观察到的一个“意外的”趋势：参与散射的夸克能量越高，其强力的作用越弱，从而越像自由粒子。于是粒子物理学界很快达成共识：夸克的强力由SU(3)规范群的杨—米尔斯理论(12)描写，其规范群是一个SU(3)群，相应的是夸克的与弱作用无关的三种“颜色”自由度。之所以叫“颜色”这个名字，只是因为夸克只有三种这样的基本色荷，就像颜色只有三种基本色一样。 (这种自由度在之前的一些实验中神秘地出现过：有一些涉及强子的实验结果，总是比不考虑夸克“颜色”自由度的理论结果大3倍。 )SU(3)群有8个参数，相应地有8个传递夸克色力的规范粒子，叫做胶子。单个胶子，和夸克一样，本身也是带颜色的。故而这个杨—米尔斯SU(3)规范理论，在文献中又叫做量子色动力学。在日常生活的能量尺度，看不到带色的单个夸克和胶子。理论上，这可从渐近自由性质的反面来定性地理解：能量越低，距离越大，色荷耦合越强大，因而容易造成无色的低能量复合态。要想从这样的复合粒子中把带色的夸克或胶子单独分开，那需要极大的能量。这个现象叫做“色禁闭” 。它定性地解决了强力(包括核力)的短程性和饱和性。 1980年代中期开始，直到1990年代，杨—米尔斯的SU(3)规范理论得到加速器实验的完美验证。

物理|杨-米尔斯规范原理和粒子物理标准模型丨庆贺杨振宁先生百岁华诞( 八 )

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