几个世纪以来，人们一直在寻找构成日常世界所有复杂性和美感的基本组成部分，我们现在有了一个令人震惊的简单答案——只需要六种粒子：电子、上夸克和下夸克、胶子、光子和希格斯玻色子。另外十一种粒子足以描述粒子物理学家研究的所有深奥现象[参见右侧方框]。这并非类似于古希腊人提出的土、气、水和火四种元素的推测。相反，这是一个结论，它体现在历史上最精密的自然数学理论——粒子物理学标准模型中。尽管名称中带有“模型”一词，但标准模型是一个全面的理论，它确定了基本粒子并规定了它们如何相互作用。我们世界中发生的一切（引力效应除外）都源于标准模型粒子根据其规则和方程相互作用的结果。
标准模型在 20 世纪 70 年代提出，并在 20 世纪 80 年代初通过实验初步确立。近三十年来，严谨的实验以细致的细节测试和验证了该理论，证实了其所有预测。在某种程度上，这种成功是令人欣慰的，因为它证实我们确实比以往任何时候都更深入地理解了自然的工作方式。矛盾的是，这种成功也令人沮丧。在标准模型出现之前，物理学家已经习惯于实验产生意想不到的新粒子或其他新理论的迹象，几乎在旧理论的粉笔灰尘还未落定之前就出现了。他们已经等待了 30 年，希望标准模型也能发生这种情况。
他们的等待应该很快结束。能量高于以往任何时候的碰撞实验，或以更高精度研究某些关键现象的实验，正处于超越标准模型的边缘。这些结果不会推翻标准模型。相反，它们将通过揭示标准模型未描述的粒子和力来扩展它。最重要的实验正在伊利诺伊州巴达维亚费米国家加速器实验室升级后的 Tevatron 对撞机上进行，该对撞机于 2001 年开始采集数据。它可能会直接产生完成标准模型的难以捉摸的粒子（希格斯玻色子）以及该理论最引人注目的扩展（已知粒子的超对称伙伴）所预测的粒子。
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重要的信息也开始来自 B 工厂，即在加利福尼亚州和日本运行的粒子对撞机，它们配置为产生数十亿个 b 夸克（11 种附加粒子之一）及其反物质等效物，以研究一种称为 CP 破坏的现象。CP（电荷-宇称）是物质与反物质相关的对称性，CP 破坏意味着反物质在其行为中并不完全镜像物质。到目前为止在粒子衰变中观察到的 CP 破坏量可以通过标准模型来容纳，但我们有理由预期比它可以产生的 CP 破坏要多得多。超越标准模型的物理学可以产生额外的 CP 破坏。
物理学家也在研究粒子的精确电磁特性。标准模型预测电子和夸克的行为类似于具有特定强度的微观磁体，并且它们在电场中的行为完全由它们的电荷决定。标准模型的大多数扩展都预测磁强度和电行为略有不同。实验开始收集足够灵敏度的数据，以观察预测的微小效应。
展望地球之外，研究太阳中微子和宇宙射线中微子的科学家们，这些幽灵般的粒子几乎不相互作用，最近证实中微子具有质量，这是研究标准模型扩展的理论家长期以来预期的结果[参见第 22 页亚瑟·B·麦克唐纳、约书亚·R·克莱因和大卫·L·沃克的《解决太阳中微子问题》]。下一轮实验将阐明解释观察到的中微子质量所需的理论形式。
此外，正在进行实验以探测构成宇宙冷暗物质的神秘粒子，并以更高的灵敏度检查质子，以了解它们是否衰变。这两个项目中的任何一个取得成功都将是后标准模型物理学的里程碑。
这项研究正在迎来粒子物理学的数据丰富时代。大约在 2007 年加入战局的将是大型强子对撞机 (LHC)，这是一台周长 27 公里的机器，目前正在日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室 CERN 建造[参见克里斯·卢埃林·史密斯的《大型强子对撞机》；《大众科学》，2000 年 7 月]。一个 30 公里长的直线电子-正电子对撞机，将补充 LHC 的结果，正在设计阶段。
随着后标准模型物理学的第一丝曙光出现，新闻报道经常让人觉得标准模型已被发现是错误的，好像它已经崩溃并准备被抛弃，但这并不是思考它的正确方式。以 19 世纪后期写下的麦克斯韦方程组为例，它描述了电磁力。在 20 世纪早期，我们了解到在原子尺寸下需要麦克斯韦方程组的量子版本。后来，标准模型将这些量子麦克斯韦方程组作为其方程组的子集。在这两种情况下，我们都没有说麦克斯韦方程组是错误的。它们被扩展了。（它们仍然用于设计无数电子技术。）
永恒的建筑
同样，标准模型将永存。它是一个完整的数学理论——一个多重连接且高度稳定的建筑。它将成为一个更大的此类建筑的一部分，但它不可能出错。理论的任何部分都不能失败，否则整个结构将崩溃。如果该理论是错误的，那么许多成功的测试将是偶然的。它将继续描述其领域内能量的强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。
标准模型经过了非常充分的测试。它预测了 W 和 Z 玻色子、胶子和两个较重的夸克（粲夸克和顶夸克）的存在。所有这些粒子随后都被发现，并且具有精确的预测属性。
第二个主要测试涉及电弱混合角，这是一个在描述弱相互作用和电磁相互作用中起作用的参数。对于每个电弱过程，该混合角必须具有相同的值。如果标准模型是错误的，则混合角对于一个过程可能具有一个值，对于另一个过程具有不同的值，依此类推。观察到它在任何地方都具有相同的值，精度约为 1%。
第三，CERN 的大型电子-正电子 (LEP) 对撞机观察了约 2000 万个 Z 玻色子。基本上，它们中的每一个都以标准模型预期的方式衰变，标准模型预测了每种衰变实例的数量以及出射粒子的能量和方向的细节。这些测试只是众多已牢固证实标准模型的测试中的一小部分。
在其完整的辉煌中，标准模型有 17 个粒子和大约相同数量的自由参数——诸如粒子质量和相互作用强度之类的量[参见第 6 页和第 7 页的方框]。原则上，这些量可以取任何值，我们只能通过进行测量来了解正确的值。批评者有时会将标准模型的许多参数与中世纪理论家用来描述行星轨道的本轮叠加本轮进行比较。他们想象标准模型的预测能力有限，或者其内容是任意的，或者它可以解释任何通过调整某些参数来解释的东西。
事实恰恰相反：一旦在任何过程中测量了质量和相互作用强度，它们就会为整个理论和任何其他实验固定下来，完全没有自由度。此外，标准模型所有方程的详细形式都由该理论确定。除了希格斯玻色子质量之外，每个参数都已被测量。在我们超越标准模型之前，新结果唯一可以改变的是我们对参数知识的精度，并且随着精度的提高，所有实验数据保持一致变得越来越难，而不是更容易，因为测量量必须在更高的精度水平上一致。
向标准模型添加更多粒子和相互作用似乎会引入更多的自由度，但情况并非一定如此。最广泛接受的扩展是最小超对称标准模型 (MSSM)。超对称性为每个粒子种类分配一个超对称伙伴粒子。我们对这些超对称伙伴的质量知之甚少，但它们的相互作用受到超对称性的约束。一旦测量了质量，由于超对称性的数学关系，MSSM 的预测将比标准模型受到更严格的约束。
十大谜团
如果标准模型运行良好，为什么必须对其进行扩展？当我们追求统一自然力的长期目标时，就会出现一个重要的暗示。在标准模型中，我们可以推断力并询问它们在更高的能量下会如何表现。例如，在大爆炸后不久的极高温度下，力是什么样的？在低能量下，强力大约是弱力的 30 倍，是电磁力的 100 多倍。当我们推断时，我们发现这三种力的强度变得非常相似，但永远不会完全相同。如果我们将标准模型扩展到 MSSM，则力在特定的高能量下变得基本相同[参见对面页面的方框]。更好的是，引力在略高的能量下接近相同的强度，这表明标准模型力和引力之间存在联系。这些结果似乎是支持 MSSM 的有力线索。
扩展标准模型的其他原因来自它无法解释甚至无法容纳的现象
1. 我们今天的所有理论似乎都暗示宇宙应该包含巨大的能量浓度，即使在最空旷的空间区域也是如此。这种所谓的真空能量的引力效应要么会在很久以前迅速卷曲宇宙，要么会将其膨胀到更大的尺寸。标准模型无法帮助我们理解这个被称为宇宙学常数问题的问题。
2. 长期以来，人们一直认为宇宙的膨胀正在减速，因为宇宙中所有物质都相互吸引。我们现在知道膨胀正在加速，并且任何导致加速的原因（被称为暗能量）都不可能是标准模型物理学。
3. 有非常好的证据表明，在大爆炸的最初一瞬间，宇宙经历了一个称为暴胀的极速膨胀阶段。导致暴胀的场不可能是标准模型的场。
4. 如果宇宙在大爆炸中以巨大的能量爆发开始，它应该演变成等量的物质和反物质（CP 对称性）。但相反，恒星和星云是由质子、中子和电子而不是它们的反粒子（它们的反物质等效物）组成的。这种物质不对称性无法用标准模型解释。
5. 大约四分之一的宇宙是看不见的冷暗物质，它不可能是标准模型的粒子。
6. 在标准模型中，与希格斯场（与希格斯玻色子相关联）的相互作用导致粒子具有质量。标准模型无法解释希格斯相互作用必须采取的非常特殊的形式。
7. 量子修正显然使计算出的希格斯玻色子质量变得巨大，这反过来又会使所有粒子质量变得巨大。在标准模型中无法避免这种结果，因此会导致严重的理论问题。
8. 标准模型不能包含引力，因为它与其他三种力不具有相同的结构。
9. 夸克和轻子（如电子和中微子）的质量值无法用标准模型解释。
10. 标准模型有三代粒子。日常世界完全由第一代粒子组成，而这一代粒子似乎本身就形成了一个一致的理论。标准模型描述了所有三代粒子，但无法解释为什么存在不止一代粒子。
在表达这些谜团时，当我说标准模型不能解释给定的现象时，我并不是说该理论尚未解释它，但有一天可能会这样做。标准模型是一个高度受约束的理论，它永远无法解释上面列出的现象。可能存在可能的解释。超对称扩展对许多物理学家有吸引力的一个原因是它可以解决除第二个和最后三个谜团之外的所有谜团。弦理论（其中粒子由微小的、一维的实体而不是点状物体表示）解决了最后三个问题[参见迈克尔·J·达夫的《曾经被称为弦的理论》；《大众科学》，1998 年 2 月]。标准模型无法解释的现象是它将如何扩展的线索。
标准模型无法回答某些问题并不奇怪——科学中每个成功的理论都增加了已回答问题的数量，但留下了一些未解答的问题。即使改进的理解导致了以前无法提出的新问题，但未解答的基本问题的数量仍在继续减少。
这些谜团中的一些谜团揭示了今天粒子物理学进入新时代的另一个原因。已经清楚的是，宇宙学中的许多最深层的问题都可以在粒子物理学中找到解决方案，因此这些领域已经合并为粒子宇宙学。只有从宇宙学研究中，我们才能了解到宇宙是物质（而不是反物质），或者宇宙大约四分之一是冷暗物质。对这些现象的任何理论理解都必须解释它们是如何作为大爆炸后宇宙演化的一部分而产生的。但仅靠宇宙学无法告诉我们是什么粒子构成了冷暗物质，或者物质不对称性实际上是如何产生的，或者暴胀是如何产生的。对最大和最小现象的理解必须结合起来。
希格斯
物理学家正在努力解决所有这些后标准模型谜团，但标准模型的一个重要方面仍然有待完成。为了赋予轻子、夸克以及 W 和 Z 玻色子质量，该理论依赖于希格斯场，但希格斯场尚未被直接探测到。
希格斯在根本上不同于任何其他场。为了理解它的不同之处，请考虑电磁场。电荷会产生电磁场，例如我们周围的所有电磁场（只需打开收音机即可感知到它们）。电磁场携带能量。当电磁场在整个空间中消失时，空间的能量最低。在没有带电粒子的情况下，零场是自然状态。令人惊讶的是，标准模型要求当希格斯场具有特定的非零值时，能量最低。因此，非零希格斯场渗透到宇宙中，粒子始终与该场相互作用，就像人们在水中跋涉一样。这种相互作用赋予了它们质量，它们的惯性。
与希格斯场相关联的是希格斯玻色子。在标准模型中，我们无法从第一原理预测任何粒子质量，包括希格斯玻色子本身的质量。但是，可以使用其他测量量来计算一些质量，例如 W 和 Z 玻色子以及顶夸克的质量。这些预测得到了证实，增加了对潜在希格斯物理学的信心。
物理学家已经了解了一些关于希格斯质量的信息。LEP 对撞机的实验人员测量了大约 20 个彼此相关的量，这些量通过标准模型相互关联。计算这些量的预测所需的所有参数都已测量——除了希格斯玻色子质量。因此，人们可以从数据中倒推，并询问哪个希格斯质量最适合这 20 个量。答案是希格斯质量小于约 200 吉电子伏特 (GeV)。（质子质量约为 0.9 GeV；顶夸克为 174 GeV。）存在答案本身就强有力地证明了希格斯的存在。如果希格斯不存在并且标准模型是错误的，那么对于这 20 个量以正确的方式相关以与特定的希格斯质量一致，这将是一个非凡的巧合。我们对这个程序的信心得到了增强，因为类似的方法在任何顶夸克被直接探测到之前就准确地预测了顶夸克质量。
LEP 还对希格斯粒子进行了直接搜索，但它只能搜索到约 115 GeV 的质量。在 LEP 触及的非常上限范围内，少量事件涉及的行为应与希格斯玻色子相同的粒子。但没有足够的数据来确定是否真的发现了希格斯玻色子。这些结果共同表明希格斯质量介于 115 GeV 和 200 GeV 之间。
LEP 现已拆除，为 LHC 的建设让路，LHC 计划于 2007 年开始采集数据。与此同时，在费米实验室的 Tevatron 上继续寻找希格斯[参见上面的插图]。如果 Tevatron 以其设计强度和能量运行，并且没有因技术或资金困难而损失运行时间，那么它可能会在大约两到三年内确认 115 GeV 的希格斯玻色子。如果希格斯更重，则需要更长的时间才能从背景中显现出清晰的信号。如果 Tevatron 按计划运行，它总共将产生超过 10,000 个希格斯玻色子，并且它可以测试希格斯玻色子的行为是否如预测的那样。LHC 将成为希格斯玻色子的工厂，产生数百万个希格斯玻色子并允许进行广泛的研究。
也有充分的论据表明，MSSM 预测的一些较轻的超对称伙伴粒子的质量足够小，以至于它们也可能在 Tevatron 上产生。超对称性的直接证实可能会在未来几年内到来。最轻的超对称伙伴是构成宇宙冷暗物质的主要候选者——它可能首次被 Tevatron 直接观察到。如果超对称伙伴存在，LHC 将产生大量的超对称伙伴，从而明确地测试超对称性是否是自然界的一部分。
有效理论
为了充分理解标准模型与其余物理学的关系，以及它的优点和局限性，用有效理论来思考是有用的。有效理论是对自然界某个方面的描述，它具有原则上至少可以使用更深层次的理论计算的输入。例如，在核物理学中，人们将质子的质量、电荷和自旋作为输入。在标准模型中，可以使用夸克和胶子的属性作为输入来计算这些量。核物理学是原子核的有效理论，而标准模型是夸克和胶子的有效理论。
从这个角度来看，每个有效理论都是开放式的，并且同样基本——也就是说，根本不是真正基本的。有效理论的阶梯会继续下去吗？MSSM 解决了标准模型未解决的许多问题，但它也是一个有效理论，因为它也有输入。它的输入可能在弦理论中是可计算的。
即使从有效理论的角度来看，粒子物理学也可能具有特殊地位。粒子物理学可能会将我们对自然界的理解提高到可以制定没有输入的理论的程度。弦理论或其表亲之一可能允许计算所有输入——不仅是电子质量和此类量，还包括时空的存在和量子理论的规则。但我们离实现该目标还有一两个有效理论的距离。
作者
戈登·凯恩，一位粒子理论家，是密歇根大学安娜堡分校的维克多·魏斯科普夫大学物理学教授。他的工作探索了测试和扩展粒子物理学标准模型的方法。特别是，他研究希格斯物理学和标准模型的超对称扩展，重点关注理论与实验的联系以及超对称性对粒子物理学和宇宙学的影响。他的爱好包括打壁球、探索思想史以及寻求理解为什么科学在某些文化中蓬勃发展而在另一些文化中却不蓬勃发展。