撰文╱奎格（Chris Quigg）
翻译／高涌泉

重点提要
■大型强子对撞机（LHC）一旦开始探索未知的领域，一定会发现新颖又刺激的东西。
■粒子物理的标准模型需要一种称为希格斯玻色子的粒子，或是其它扮演相同角色的替代粒子，而该粒子的质量则落在LHC所探索的能量范围之内。希格斯粒子还会带出深奥的问题，其答案也应该可以在相同能量范围之内找到。
■这些现象环绕着对称的问题。对称是标准模型中交互作用的基础，但是未必会永远反应于模型的运作之上。了解对称为何破缺，是主要的问题。

如果物理学家被迫要以一个字来说明建造大型强子对撞机（LHC）的理由，他们通常会回答「希格斯粒子」（Higgs particle）。希格斯粒子是大家关注的焦点，它是现今最成功的粒子理论中，剩下还没有被找到的粒子。不过整个故事远比这有趣得多。在粒子物理史上，新对撞机在能量上的跃升是前所未见的。我们不知道它会发现什么，但是它所找到的东西以及所撞见的新问题，必将改变粒子物理的面貌，而且将影响相关的科学领域。

在这个新世界里，我们希望能够弄懂，将电磁交互作用与弱交互作用这两种自然界中的力区分开来的，到底是什么。这对于我们如何看待日常世界将有广泛的影响。对于一些简单又深奥的问题，我们将获得更新的了解，像是为什么有原子？为什么有化学？为什么能有稳定的结构？

寻找希格斯粒子是关键的一步，但它只是第一步而已。在这之外还存在着一些现象，它们或许可以澄清为何重力会远比其它自然界的力还弱，并揭露充满宇宙的神秘暗物质的面目。我们还可能更进一步了解物质的各种形式、时空的性质，以及外在形式相异的各类粒子所具有的内在统合性质。这些问题彼此似乎都有关联，而且也牵涉到当初引发物理学家预测出希格斯粒子的一堆问题。LHC将帮助我们改进这些问题，也会让我们起步去找出答案。

以实验验证标准模型 粒子物理中的「标准模型」能够解释已知世界中的很多东西，而它的名称也意味着它还在进展。标准模型是在进展快速的1970与1980年代建构出来的，当时一连串重要的实验发现与新提出的理论得以相辅相成。很多粒子物理学家把过去15年看成是巩固的年代，和更早快速前进的年代不一样。然而，尽管标准模型已经获得更多实验的支持，可是也有越来越多现象超出了标准模型的范围，同时新的理论想法也扩充了我们的概念，描绘出一个更丰富、更完备的世界观的可能模样。实验与理论两者持续搭配发展，意味着未来10年粒子物理将蓬勃发展，或许我们将来回头看，会看到革命其实一直就在蕴酿。

依我们目前的了解，物质由夸克与轻子这两大类粒子所构成，此外还要再加上四种已知基本力中的电磁力、强力与弱力（参见第34页〈究竟什么是物质？〉）。我们这里暂且将重力放在一旁。夸克构成了质子与中子，并能产生与感受电磁力、强力与弱力。轻子中最著名的是电子，这类粒子不会感受到强力。夸克与轻子的区别在于夸克带有颜色而轻子则否。所谓的颜色是和电荷类似的概念，这只是一种比喻，和普通的颜色没有关系。

标准模型的指导原则是，它的方程式必须是对称的。就好像无论你从什么角度去看一颗球，它看起来都是同一个样子。对于方程式来说，如果你改变定义方程式的观点，方程式也必须维持不变。不仅如此，如果我们在时空中的不同点采取不同观点，方程式也仍然保持不变。

当我们如果要求一个几何物体具有对称，此物体的形状就必须受到严格的限制；一颗球如果有些凹凸，它就不可能从任何角度看起来都一样。同样地，方程式的对称性也会对方程式设下严格的限制。这些对称所导致的交互作用，则是由玻色子这种特殊粒子来传递的。

标准模型以这种方式颠覆了苏利文的格言「功能决定形式」，而在标准模型里却是「形式决定功能」。换句话说，理论的形式（表现于方程式所定义出的对称之中）决定了由理论来描述的功能（粒子间的交互作用）。例如，假设我们要求无论怎样选择定义夸克的颜色（而且这种选择不会依时空点的不同而异），描述夸克的方程式必须保持不变，则这种要求就会导致强核力，强力是由八种称为胶子的粒子所传递的。另外电磁力与弱力种力则整合成「电弱力」，而它们奠基于另一种对称。电弱力是由四种粒子来传递：光子、Z玻色子、W＋玻色子、W－玻色子。

以对称破缺解释电弱理论 电弱交互作用的理论是由格拉肖、温伯格和萨莱姆所提出来的，他们以此获得了1979年诺贝尔物理奖。弱力所涉及的是辐射性β衰变，不会作用在所有的夸克与轻子。每个夸克与轻子都还可再分成左旋与右旋两类，两者互为镜像。β衰变力只会作用于左旋粒子，这件事发现于50多年前，现今我们还不了解原因。不同左旋粒子之间的对称定义了电弱理论。

电弱理论在建构之初有两项缺点。首先，它预测有四种传递长距力的粒子，这类粒子称为规范玻色子；但是自然界只有一种长距力粒子，即光子。其它三种规范玻色子都只会传递短距力，范围约在10-17公尺之内，也就是比质子半径的1/100还小些。根据海森堡测不准原理，这意味着这些传递短距力的粒子带有约等于1000亿电子伏特（即100GeV）的质量。第二项缺点是夸克之间与轻子之间的家族对称，意味着夸克和轻子不能带有质量，然而夸克与轻子都是有质量的粒子。