更新时间：2022-08-25 14:11
已知粒子之间有四种相互作用：引力相互作用、弱相互作用、电磁相互作用以及强相互作用。这些相互作用都随距离的增加而减弱，但随距离的变化关系则大不相同，引力相互作用比后面三种相互作用弱得多，约为弱相互作用强度的 10-26。因此，在粒子物理学中主要涉及的是后面三种相互作用。强相互作用只存在夸克之间，它将夸克束缚成强子，是自然界中最强的相互作用，用量子色动力学描述，总共有八种不同的胶子携带色力。电磁相互作用比强相互作用弱，它把电子束缚在原子核周围。弱相互作用控制放射性衰变和核聚变，比电磁相互作用弱。引力相互作用是人们最早认识的一种相互作用，然而却是研究进展最慢的一种相互作用。粒子之间存在四种相互作用，这四种相互作用之间存在何种联系，是否可以从更基本的角度把它们统一起来，一直是物理学家们所关心的问题。1961 年，格拉肖（ Glashow）首先提出电弱统一模型， 1967 年和 1968 年，温伯格（Weinberg）和萨拉姆（ Salam）在规范场理论的基础上，引入对称性自发破缺机制，使这个理论发展完善。格拉肖，温伯格和萨拉姆因此获得 1979 年诺贝尔物理学奖。弱中性流的存在是 Glashow- Weinberg-Salam（ G-W-S）模型的一个很重要的预测，也是对这个模型的一个直接检验。 1973 年， Gargamelle 气泡室利用欧洲粒子物理研究所（ CERN）的质子同步回旋加速器发现了中性流的存在，费米实验室的 HPWF 探测器确认了这一实验结果。随后，中微子-核子和中微子-电子散射实验提升到了百分率水平，定量地检测了弱相互作用。对弱电干扰影响非常敏感的电子-氘核和电子-正电子散射实验，以及原子宇称破坏实验对于弱电标准模型的验证也是至关重要的。 1982 年和 1983 年，在 CERN 的超质子同步加速器上进行的 UA1 和 UA2 实验分别发现了理论中预言的W 和 Z 玻色子。
标准模型理论
电弱统一理论的成功促进了人们对大统一理论的探索研究。大统一理论是指把强相互作用和电弱相互作用统一起来的理论。 强相互作用的规律可以用色规范场理论来描写，即色动力学，电弱相互作用的规律由电弱统一理论来描写。把量子色动力学和电弱统一理论结合起来的规范场理论， 称为标准模型。标准模型概括了对于强相互作用和电弱相互作用规律的认识。但在标准模型中，强相互作用和电磁相互作用还是相互独立的。大统一理论期望在标准模型基础上，找到强相互作用和电弱相互作用的内在联系而统一起来。
标准模型存在的问题
首个与标准模型不相符的实验是 1998 年日本超级神冈中微子探测器发表有关中微子振荡的结果，显示中微子拥有非零质量。 标准模型的简单修正（引如非零质量的中微子）可以解释这个实验结果。这个新的模型仍叫做标准模型。虽然标准模型取得了很大的成就，但作为基本理论来看，这个模型以及它的推广还存在一些很重要的缺陷：
（1）这个模型中包含 SU(2)L 二重态的 Higgs 玻色子。 Higgs 粒子是标准模型预言的一种自旋为零的玻色子，然而尚未在实验中观察到，弱电对称破缺还没有满意的解释。
（2）自然界中至少存在三代轻子和夸克，它们在SU(3)C⊗ SU(2)L⊗ U(1)Y下具有完全相同的量子数，标准模型不能对这种重复做出解释。
（3）标准模型中规范群是三个单群 SU(3)C、SU(2)L和U(1)Y的直积，有三个独立的规范作用常数，特别是 SU(3)C群的耦合常数与弱电耦合常数有数量级的差别，标准模型没有对这种差别做出物理解释。因此强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用并未彻底统一。
（4）标准模型中包含大量的任意参数： 3 个规范作用常数、 3 个带电轻子质量、6 个夸克质量， 3 个 Cabbibo 混合角、 1 个 CP 破坏的位相角以及 W 和 Higgs 粒子的质量。去掉一个共同的质量指标后，理论中共有 17 个实验上可以测量而理论上完全任意的参数。考虑瞬子效应和θ 真空后，理论中还需引入两个参数。如果自然界中存在右手中微子， 那么中微子可以具有质量， 轻子也将和夸克一样具有自己的 CabibboKobayashi- Maskawa（ CKM）矩阵，理论中的自由参数就会更多。很难想象自然界的基本理论具有如此多的任意参数。
（5）电子电荷和质子电荷绝对值相等。这个现象称为电荷的量子化，在标准模型中电荷 ，电荷的量子化是通过选取左手轻子的超荷 yl 和左手夸克的超荷yq 的比 yl/yq=-3来保证的。但是U(1)群生成元的本征值从原则上说可以是任意实数，其比值不一定要是整数。因此在SU(3)C⊗SU(2)L⊗U(1)Y模型中电荷的量子化是
人为地放入理论中的，标准模型对此没有做出解释。
(6)引力相互作用没有包含在标准模型SU(3)C⊗SU(2)L⊗U(1)Y中。因此标准模型还不是最终的理论。
B介子衰变的味改变中性流Z'模型
弱相互作用和电磁相互作用的统一以及强相互作用的量子色动力学也是规范理论这一事实使得人们设想，弱、电、强三种基本相互作用可以在规范理论的基础上统一起来。这要求有一个在规范群G下不变的拉氏量，群 G必须包含子群SU(3)C⊗SU(2)L⊗U(1)Y，这种类型的理论称为大统一理论。这是一个理论上很有吸引力的想法。大统一理论可以解决标准模型规范常数独立性的问题。为了使得理论中只有一个规范耦合常数，这要求规范群 G 或者是一个单群或者是几个相同的单群的直积，在后一种情况下，如果附加上几个单群互相置换的对称性，则理论中也只有一个规范耦合常数，在几个最简单并且有吸引力的大统一模型中SU(5)模型，SO(10)模型和E6 模型属于第一类，而 Pan 和 Salam 提出的模型属于第二类。
比大统一理论更进一步的想法是把引力也和弱、电、强作用一起在规范理论的基础上统一描述，超弦理论在这一方面做出了最好的尝试。有效标准模型规范耦合能量的计算明确指出，电、弱和强力的统一（GUT’s ）的能量标度是MGUT ~ 1015- 1016Gev ，这与量子引力标度Gev已非常接近。因此在考虑弱、电和强相互作用的统一时把引力包括在内是自然的想法。人们希望超对称[8]能解决引力在重整化方面的困难，把规范对称概念与定域超对称概念结合起来统一描述四种基本作用的超引力理论已被不少人研究过。
解决标准模型中三代重复以及参数多的问题的另一种可能的途径是，把轻子和夸克都看作复合粒子。在复合轻子夸克模型中轻子和夸克的谱以及标准模型所有的参数原则上都是由下一层次的组元和动力学决定的。已提出的复合轻子夸克模型大多是建立在规范场概念上的，其中一些把复合粒子的概念与大统一或超对称的概念结合在一起。应用有效场理论讨论了b→s 变换味改变中性流的 Z′ 模型，并研究了代非普适U (1)′ 规范对称标准模型扩展上的约束。在引入Z′ 规范玻色子的同时也引入了大量的参数。对于这些参数，通过假设以及几种特殊的极限对它们进行了限制。同时，在前两代为代普适荷及小费米混合角前提下，利用模型独立近似法对∆B= 1,2 过程做了相关分析。结果显示，在这种模型下，Bs - Bs'混合中的反常以及 Bd→(ψ，φ，η'，ρ，ω，f0)Ks 衰变的时间依赖CP 不对称可以以一致的方式进行考虑。不但对于强子衰变，而且对于Bd介子的轻子或半轻子衰变来说，来自Bs- Bs'混合的限制可能有很重要的意义。