上個世紀(jì)，物理學(xué)家經(jīng)過了幾十年的努力發(fā)展出了粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，描述了自然界中的三種基本力（電磁力、弱核力和強(qiáng)核力）和基本粒子（夸克、電子等），兩個量子場論是它的核心。量子電動力學(xué)（QED）描述了光與物質(zhì)間的相互作用，并和弱核力統(tǒng)一成電弱力。量子色動力學(xué)（QCD）則是描述強(qiáng)核力的一個理論。2012年，標(biāo)準(zhǔn)模型迎來了巔峰，希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)最終填補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖。然而，我們知道它并不是一個終極理論。標(biāo)準(zhǔn)模型沒有包括引力，也無法解釋中微子為什么有質(zhì)量等其他問題。因此，多年來物理學(xué)家一直致力于尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理。
1夸克和輕子是最基本的嗎？
為什么世間的萬物都有著一些共同的性質(zhì)？人們很快就意識到，物質(zhì)其實都是由自然界的一些基本單元構(gòu)成的。所謂的基本單元是指不能再由更小的物質(zhì)構(gòu)成的單元。經(jīng)歷了千年的探索，我們在實驗中發(fā)現(xiàn)了原子、質(zhì)子、中子、電子和夸克?，F(xiàn)在我們知道，電子（與μ子和τ子被稱為輕子）和夸克（共有六種）是不可再分割的。但是，鑒于過去的經(jīng)歷，我們不得不懷疑它們真的是最基本的嗎？或許它們是由更小的先子（preon）組成的？又或者它們正如弦理論所預(yù)言的那樣是由只有普朗克長度大小的弦構(gòu)成的？
○ 宇宙中最基本的粒子是什么？
2家族問題：為什么夸克和輕子有三代？
上夸克、下夸克、電子和電中微子都是被稱為費(fèi)米子的基本粒子，它們構(gòu)成了我們體驗到的萬物。但這并不是故事的全部，自然富有深意的又安排了這些費(fèi)米子的第二代，甚至是第三代。例如，三代帶電輕子分別為：電子（發(fā)現(xiàn)于1897年）、μ子（發(fā)現(xiàn)于1937年）和 τ子（發(fā)現(xiàn)于1975年）。它們的性質(zhì)完全相同，μ子和 τ子只是電子更重的版本而已。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，電子可以完成其它兩種粒子能做的一切事情，就好像 μ子和 τ子是多余的一樣。以至于當(dāng) μ子第一次在宇宙射線中被發(fā)現(xiàn)的時候，著名的實驗家Isidor Rabi怒道：“是誰訂的 μ子？” 物理學(xué)家把這三種粒子描述為輕子家族的三代，然而，在我們所觀測的世界中，似乎只需要第一代的電子就足夠了。為什么會有三代？其中必然有更深刻的原因，只是我們還不知道。
○ 費(fèi)米子：左邊是三代夸克上(u)、下(d)、粲(c)、奇(s)、頂(t)及底(b)；右邊是三代輕子：電子(e)、μ子和τ子，以及它們相應(yīng)的中微子(ν)
3夸總是被束縛在它們所構(gòu)成的粒子內(nèi)嗎？其背后的理論為何如此的難？
根據(jù)量子色動力學(xué)（QCD），當(dāng)兩個夸克越靠越近時（能量越來越高），它們間的相互作用就越弱，這被稱為“漸進(jìn)自由”。1973年，F(xiàn)rank Wilczek和其他兩位物理學(xué)家因發(fā)現(xiàn)了漸進(jìn)自由而獲得諾貝爾物理學(xué)獎，他們描述了在高能下，對強(qiáng)核力進(jìn)行微擾計算的可能。物理學(xué)家相信，在低能量的情況下（距離越來越遠(yuǎn)），夸克之間的作用力則會越來越強(qiáng)，使夸克永遠(yuǎn)被禁閉在它們所構(gòu)成的粒子（比如質(zhì)子或中子）內(nèi)，因此宇宙中并沒有自由夸克。雖然夸克禁閉是被普遍接受的事實，但從來沒有被嚴(yán)格的證明過。
○ 宇宙中并沒不存在“自由夸克”。如果把一個上夸克和一個反下夸克強(qiáng)行拉開，所需要的能量越來越高，一旦超過一個點(diǎn)，便會在真空中制造出一對夸克/反夸克對。這是很反直覺的，有點(diǎn)像奇怪的巴拿赫-塔斯基定理（又名“分球怪論”）。
事實上，QCD在許多方面都沒有被很好的理解，因為它們是如此的深奧，以至于相關(guān)問題也被列為千禧年七大數(shù)學(xué)難題之一。對QCD更好的理解，能夠幫助我們揭開許多謎題。例如，在宇宙學(xué)中，夸克-膠子等離子體是非常重要的，它也已經(jīng)在實驗室（比如RHIC和LHC）中被制造出來了。對夸克-膠子等離子的深入研究為我們提供了許多的洞見，但也出現(xiàn)了許多新的問題。此外，對QCD的完整相圖的研究也能夠應(yīng)用在核物理和天體物理中，比如更好的描述中子星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
4粒子質(zhì)量的起源之謎
雖然理論物理學(xué)家已經(jīng)投入了大量的工作，但是并沒有理論能夠解釋標(biāo)準(zhǔn)模型中的費(fèi)米子的質(zhì)量，或者說它們與希格斯場的湯川耦合。特別是頂夸克的質(zhì)量之謎，不僅是因為它的質(zhì)量相比其它基本粒子是如此之大，也因為它的值接近希格斯場的真空期望值。
同時，中微子質(zhì)量的發(fā)現(xiàn)，為我們需要一個超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論提供了堅實的實驗證據(jù)。對于每一代的費(fèi)米子，要么需要加入一個額外的場（如果是狄拉克型的質(zhì)量，就像電子或夸克那樣），要么違反輕子數(shù)守恒（如果是馬約拉納型的質(zhì)量，意味著中微子是自己的反粒子）。我們需要解釋為什么中微子具有質(zhì)量，以及為什么質(zhì)量那么小。這些問題都可以在大統(tǒng)一理論中找到答案，但大統(tǒng)一理論有很多版本，并沒有哪個被普遍接受。目前，我們并不知道中微子的確切質(zhì)量（中微子振蕩實驗只測量了質(zhì)量平方差），也不知道質(zhì)量是屬于馬約拉納型的還是狄拉克型的，又或者兩者兼有。此外，正如其它的費(fèi)米子，目前也沒有理論解釋中微子質(zhì)量的基本起源。
○ 我們一般認(rèn)為物質(zhì)和反物質(zhì)是不同的，就像天使與惡魔。但是馬約拉納中微子卻同時是天使與惡魔。
5等級問題和超對稱
為什么標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子的質(zhì)量要比普朗克質(zhì)量小那么多？這個問題就是所謂的“等級問題”。我們似乎可以說粒子物理學(xué)是一個等級森嚴(yán)的領(lǐng)域。四種基本力的強(qiáng)度懸殊，從強(qiáng)到弱（即從強(qiáng)核力到引力）形成等級。物理學(xué)中的不同質(zhì)量也形成等級，最頂層的是普朗克質(zhì)量，最底層的就是真空能量。
如果從第一原理預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子的質(zhì)量，它們的質(zhì)量應(yīng)當(dāng)約為普朗克質(zhì)量，大概在能量10^19GeV。但問題是，這比宇宙中已被探測到的質(zhì)量最大的粒子都要高出17個數(shù)量級。特別是希格斯玻色子，它的質(zhì)量應(yīng)該非常大，因為它跟如此多的粒子相互作用。
而我們現(xiàn)在已經(jīng)知道，希格斯玻色子的質(zhì)量只有125GeV，這跟普朗克能量尺度相差十幾個數(shù)量級，而不是理論所期待的在同一個等級。因此，我們要問，為什么粒子的質(zhì)量是我們現(xiàn)在觀測到的質(zhì)量，而不是接近普朗克質(zhì)量？最優(yōu)美的一個解決方法是存在一個額外的對稱，可以抵消所有普朗克尺度的貢獻(xiàn)，使粒子的質(zhì)量要比普朗克質(zhì)量低的多。
這就是“超對稱”理論背后的想法。超對稱做了一個非常大膽的預(yù)言：所有的費(fèi)米子（比如夸克和電子）都有一個玻色子的超對稱伙伴，以及所有的玻色子（比如光子，膠子）都有相應(yīng)的費(fèi)米子超對稱伙伴。在許多超對稱理論中，最輕的超對稱粒子是一種不帶電、穩(wěn)定的粒子，稱為中輕微子。如果找到這些粒子，也可以解釋暗物質(zhì)的問題。雖然超對稱理論備受喜愛，但多年來在粒子加速器都沒有發(fā)現(xiàn)它們，而它們早應(yīng)該被找到。
○ 左邊為標(biāo)準(zhǔn)模型粒子，右邊為超對稱粒子。
6還有哪些未知的粒子等待被發(fā)現(xiàn)？
過去，越來越強(qiáng)大的加速器或探測器發(fā)現(xiàn)了許多新的粒子，而這很可能會再次發(fā)生。有一些新粒子被提出來解決一些特定問題，比如軸子可以解釋為什么量子色動力學(xué)不違反CP不變性，惰性中微子則被提出來解釋中微子振蕩實驗中的可能觀測。其它的新粒子被提出來主要是因為它們在理論上是可能存在的，比如類似標(biāo)準(zhǔn)模型中的額外費(fèi)米子或玻色子。我們隨時可能在實驗室中遇到令人驚喜的新發(fā)現(xiàn)，因為我們對自然的理解還不完整。
○ 軸子（擴(kuò)展閱讀：《同時解決物理學(xué)的五大難題？一個野心勃勃的理論》）。
7質(zhì)子的半徑、自旋和衰變之謎
原子中的質(zhì)子是由三個夸克組成，盡管質(zhì)子在100多年前就走入我們的視線，但事實表明我們對它還不夠了解。當(dāng)科學(xué)家用不同的方法測量質(zhì)子的半徑時驚奇的發(fā)現(xiàn)，兩種方法給出了不同的半徑數(shù)值。對半徑的精確測量很重要，因為這是對量子電動力學(xué)（QED）的檢驗。如果這種差異在實驗中持續(xù)出現(xiàn)，或許意味著存在著一個未發(fā)現(xiàn)的粒子。
但即使半徑之謎解決了，科學(xué)家還面臨著另一個問題。起初，物理學(xué)家認(rèn)為它的自旋主要來自夸克的貢獻(xiàn)。但到了1987年，歐洲μ子實驗組進(jìn)行的一系列高能物理實驗引發(fā)了所謂的“質(zhì)子自旋危機(jī)”。由CERN、DESY和SLAC所進(jìn)行的實驗給出了令人意外的結(jié)果：夸克對質(zhì)子的自旋貢獻(xiàn)僅為30%！如果不是夸克，那又會是什么？在一次最新的大型數(shù)值模擬量子色動力學(xué)的結(jié)果顯示，膠子提供了質(zhì)子一半的自旋。而剩下的20%的質(zhì)子自旋被認(rèn)為是來自夸克和膠子的軌道角動量?；谶^去幾十年的努力，物理學(xué)家距離揭開質(zhì)子自旋的來源越來越近。
○ 事實上，質(zhì)子內(nèi)部非常復(fù)雜。
質(zhì)子的最后一個謎題則跟它的壽命有關(guān)。質(zhì)子可以衰變，是大統(tǒng)一理論一個非常重要的預(yù)言。但唯一的問題是，目前實驗還沒有觀測到任何質(zhì)子衰變的跡象。例如日本的超級神岡探測器一直致力于監(jiān)測衰變質(zhì)子釋放出的輻射，但沒有觀測到任何衰變的證據(jù)。他們的最新研究成果將質(zhì)子壽命的下限提高到1.6×10^34年。如果有朝一日我們能夠在探測器中觀測到質(zhì)子發(fā)生衰變，那就意味著自然界中三種基本力——弱核力、強(qiáng)核力和電磁力——在宇宙早期能夠被統(tǒng)一在一起。
8洛倫茲或CPT不變性會被違反嗎？（愛因斯坦的相對論和標(biāo)準(zhǔn)場理論總是有效的嗎？）
在最基本的層面，標(biāo)準(zhǔn)模型違反了P和CP（P代表宇稱，即鏡像中的世界；C代表電荷共軛，即把粒子換成反粒子）對稱性，同時在希格斯場凝聚后，也違反了弱同位旋和弱超電荷守恒。1956年，吳健雄通過觀察鈷-60原子的放射性衰變，驗證了楊振寧和李政道的理論：在弱相互作用中宇稱不守恒。1964年，James Cronin 和 Val Fitch在實驗室中也找到了CP破壞的證據(jù)。那么自然而然地要問，是否還存在更多的對稱性破缺，無論是在基本層面（超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論），或是由于進(jìn)一步的對稱性破缺（因矢量或張量的凝聚，而非標(biāo)量場），或因為量子漲落（例如普朗克尺度上的“時空泡沫”）。
特別是，科學(xué)家一直致力于尋找違反洛倫茲不變性或CPT不變性的證據(jù)，但到目前為止并沒有發(fā)現(xiàn)任何蛛絲馬跡。大多數(shù)科學(xué)家都同意廣義相對論和粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型并不是最終的理論。在眾多統(tǒng)一理論中，比如弦理論、修正引力理論和非對易量子場論中，都預(yù)言了洛倫茲對稱性的微小的破缺。因此對洛倫茲不變性的精確檢驗會指向一條通往正確的統(tǒng)一理論模型的道路。同樣的，CPT對稱性也是現(xiàn)代物理學(xué)的重要支柱，它是指物理定律在電荷共軛、宇稱、時間反演的聯(lián)合變換下保持不變。如果CPT對稱性被打破了，就意味著打破了現(xiàn)有的物理學(xué)。
○ CPT對稱性
9我們的宇宙穩(wěn)定嗎？
希格斯玻色子具有特殊的質(zhì)量，其值意味著希格斯勢里的基本自耦合參數(shù)：
幾乎等于零（如果標(biāo)準(zhǔn)模型計算有效的話）。從這個結(jié)果來看，希格斯凝聚和我們所知道的宇宙只能勉強(qiáng)算是穩(wěn)定的。事實上，進(jìn)一步的計算暗示了我們的宇宙可能處于一種亞穩(wěn)態(tài)，最終會過渡到具有非常不同性質(zhì)的更加穩(wěn)定的狀態(tài)。事實上，這里牽涉到一個非常深刻的問題：如何解釋 λ≈0？我們的宇宙是否處于穩(wěn)定狀態(tài)呢？
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