什么是标准模型，比其他任何人都经过测试更多的亚原子物理学理论？

粒子物理标准模型的颗粒。（图片来源：Daniel Dominguez/Cern）

标准模型是对现代物理学有史以来创建的亚原子世界的最完整描述。该模型是在20世纪建立的量子力学，描述粒子在最细微的尺度上的表现的奇怪理论。标准模型解释了自然四种力量中的三种：电磁学，强大的核力量和弱核力量。该理论已经经过数千次的精度测试，尽管缺点，但仍然是现代科学最重要的成就之一。

“这是思考事物在最基本水平上的相互作用的主要范式”，并且已经“经过了极好的精确度进行了测试”。

随着一系列开创性的理论和实验发展，物理学家开始在1950年代开发标准模型。在理论方面，物理学家刚刚扩展了量子力学（最初是为了理解亚原子颗粒）来解释电磁力的。在实验方面，物理学家刚刚开发了原子弹，并且意识到强大和弱的核力量，但尚未完全描述它们

标准模型在1970年代达到了现代形式，一旦有了一些关键要素：一种量子理论来解释强力，意识到可以统一电磁和弱核力量，并发现了HIGGS机制，从而引起了粒子质量，，这些机制引起了粒子的质量，根据美国能源部（DOE）。

Orzel说：“我认为这是人类文明历史上最伟大的知识分子胜利之一，既是它所包含的现象范围，也是将它们整合在一起的困难程度。”

标准模型将亚原子世界组织成两个广泛的粒子，称为费米和玻色子，根据田纳西大学诺克斯维尔大学的说法。粗略地说，费米子不能共享相同的量子状态（例如，在原子）。费米斯是普通物质的“构建块”，它们以不同的方式结合形成一些众所周知的亚原子颗粒，例如质子，电子和中子

有两种费米子：对电磁和弱核力量响应的瘦素，以及对强核力量作出反应的夸克。瘦素包括熟悉的电子，以及较重的表亲妈妈和tau。这两个颗粒具有与电子完全相同的特性，但更大。

这些瘦素中的每一个都与相应的中微子配对。中微子是很少与物质相互作用但在核反应中产生的超轻颗粒。因此，有电子中心，muon-neutrinos和tau-neutrinos。

除了这六个瘦素外，还有夸克，有六种类型或“风味”：向上，向下，魅力，奇怪，顶部和底部。上下的夸克是最轻，最稳定的，它们在三胞胎中结合在一起，形成质子和中子。

另一方面，玻色子可以共享相同的能量状态。最常见的玻色子是光子，电磁力的力载体。据美国能源部（DOE）称，其他携带力的玻色子包括弱核力量的三个载体（称为W+，W-和Z玻色子）和强大的核力量的八个载体，称为Gluons。

最后一个玻色子称为希格斯玻色子，是特殊的，在标准模型中起着非常重要的作用。

希格斯玻色子在标准模型中执行两个重要作业。在高能量下，电磁和弱核力量合并为一种称为电动作用力的通用统一力。在低能量（即日常生活的典型能量）下，两种力量分为他们熟悉的形式。希格斯玻色子负责将这两种力保持在低能量下分离，因为弱核和电磁力与希格斯玻色子的相互作用不同，根据物理研究所。

所有其他所有夸克和叶（除中微子除外）也与希格斯玻色子相互作用。这种相互作用使这些粒子具有单个质量，这取决于粒子与希格斯的强烈相互作用。因此，希格斯玻色子的存在允许我们宇宙中的许多颗粒获得质量。

测试标准模型非常困难，因为所涉及的所有粒子都非常小。

奥尔泽尔说：“除了电子外，这些颗粒都没有直接观察到，但由于几代物理学家的工作积累，它们的工作几乎被证明是无可争议的。”

也就是说，该标准模型在数十年来进行的一系列高精度实验中幸存下来。几乎所有这些实验都结合了粒子壁的使用，例如大型强子对撞机在日内瓦附近，该颗粒几乎以光速猛烈猛烈。这些碰撞释放了大量能量，使物理学家能够研究自然的基本相互作用，根据库恩的说法，欧洲核研究组织，它是大型强子对撞机的所在地。

Orzel说：“对我来说，最令人印象深刻的特征是，它使我们能够确定现实世界中的精确度 - 在电子的异常磁矩之类的情况下，类似于13 to14的十进制位置。”

尽管在单个数学框架下解释了各种自然现象方面取得了巨大的成功，但物理学家知道标准模型并不完整。最重要的是尝试合并重力进入标准模型始终失败。

“无法将重力与其他基本物理的标准模型框架合并为这Orzel说：“理论粒子物理学家面临的最大挑战将它们驱逐到一些相当巴洛克式的猜测领域。目前尚不清楚如何解决这一问题，甚至可以使用可行的近乎预期技术解决。”

除了缺失重力外，该模型还不包括给中微子质量的机制，也不包括合并暗物质或者暗能量，这是宇宙中质量和能量的主要形式。

但是，即使标准模型尚未完整，物理学家也没有关于如何扩展它的广泛一致的理论，因此它仍然是对有史以来设计的亚原子物理学的最佳工作描述。

要特别了解有关强力的更多信息，请查看这个播客剧集作者保罗·萨特（Paul Sutter）。加入费米拉布科学家唐·林肯（Don Lincoln）参观标准模型在此视频中。有关该主题的流行概述，请查看“几乎所有事物的理论：标准模型，现代物理学的无冠军”（企鹅出版社集团，2006年），作者：物理学家罗伯特·奥特（Robert Oerter）。