幾個世紀以來，人們一直在尋找構成日常世界所有複雜性和美感的基本組成部分，我們現在有了一個令人震驚的簡單答案——只需要六種粒子：電子、上夸克和下夸克、膠子、光子和希格斯玻色子。另外十一種粒子足以描述粒子物理學家研究的所有深奧現象[參見右側方框]。這並非類似於古希臘人提出的土、氣、水和火四種元素的推測。相反，這是一個結論，它體現在歷史上最精密的自然數學理論——粒子物理學標準模型中。儘管名稱中帶有“模型”一詞，但標準模型是一個全面的理論，它確定了基本粒子並規定了它們如何相互作用。我們世界中發生的一切（引力效應除外）都源於標準模型粒子根據其規則和方程相互作用的結果。
標準模型在 20 世紀 70 年代提出，並在 20 世紀 80 年代初透過實驗初步確立。近三十年來，嚴謹的實驗以細緻的細節測試和驗證了該理論，證實了其所有預測。在某種程度上，這種成功是令人欣慰的，因為它證實我們確實比以往任何時候都更深入地理解了自然的工作方式。矛盾的是，這種成功也令人沮喪。在標準模型出現之前，物理學家已經習慣於實驗產生意想不到的新粒子或其他新理論的跡象，幾乎在舊理論的粉筆灰塵還未落定之前就出現了。他們已經等待了 30 年，希望標準模型也能發生這種情況。
他們的等待應該很快結束。能量高於以往任何時候的碰撞實驗，或以更高精度研究某些關鍵現象的實驗，正處於超越標準模型的邊緣。這些結果不會推翻標準模型。相反，它們將透過揭示標準模型未描述的粒子和力來擴充套件它。最重要的實驗正在伊利諾伊州巴達維亞費米國家加速器實驗室升級後的 Tevatron 對撞機上進行，該對撞機於 2001 年開始採集資料。它可能會直接產生完成標準模型的難以捉摸的粒子（希格斯玻色子）以及該理論最引人注目的擴充套件（已知粒子的超對稱夥伴）所預測的粒子。
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重要的資訊也開始來自 B 工廠，即在加利福尼亞州和日本執行的粒子對撞機，它們配置為產生數十億個 b 夸克（11 種附加粒子之一）及其反物質等效物，以研究一種稱為 CP 破壞的現象。CP（電荷-宇稱）是物質與反物質相關的對稱性，CP 破壞意味著反物質在其行為中並不完全映象物質。到目前為止在粒子衰變中觀察到的 CP 破壞量可以透過標準模型來容納，但我們有理由預期比它可以產生的 CP 破壞要多得多。超越標準模型的物理學可以產生額外的 CP 破壞。
物理學家也在研究粒子的精確電磁特性。標準模型預測電子和夸克的行為類似於具有特定強度的微觀磁體，並且它們在電場中的行為完全由它們的電荷決定。標準模型的大多數擴充套件都預測磁強度和電行為略有不同。實驗開始收集足夠靈敏度的資料，以觀察預測的微小效應。
展望地球之外，研究太陽中微子和宇宙射線中微子的科學家們，這些幽靈般的粒子幾乎不相互作用，最近證實中微子具有質量，這是研究標準模型擴充套件的理論家長期以來預期的結果[參見第 22 頁亞瑟·B·麥克唐納、約書亞·R·克萊因和大衛·L·沃克的《解決太陽中微子問題》]。下一輪實驗將闡明解釋觀察到的中微子質量所需的理論形式。
此外，正在進行實驗以探測構成宇宙冷暗物質的神秘粒子，並以更高的靈敏度檢查質子，以瞭解它們是否衰變。這兩個專案中的任何一個取得成功都將是後標準模型物理學的里程碑。
這項研究正在迎來粒子物理學的資料豐富時代。大約在 2007 年加入戰局的將是大型強子對撞機 (LHC)，這是一臺周長 27 公里的機器，目前正在日內瓦附近的歐洲粒子物理實驗室 CERN 建造[參見克里斯·盧埃林·史密斯的《大型強子對撞機》；《大眾科學》，2000 年 7 月]。一個 30 公里長的直線電子-正電子對撞機，將補充 LHC 的結果，正在設計階段。
隨著後標準模型物理學的第一絲曙光出現，新聞報道經常讓人覺得標準模型已被發現是錯誤的，好像它已經崩潰並準備被拋棄，但這並不是思考它的正確方式。以 19 世紀後期寫下的麥克斯韋方程組為例，它描述了電磁力。在 20 世紀早期，我們瞭解到在原子尺寸下需要麥克斯韋方程組的量子版本。後來，標準模型將這些量子麥克斯韋方程組作為其方程組的子集。在這兩種情況下，我們都沒有說麥克斯韋方程組是錯誤的。它們被擴充套件了。（它們仍然用於設計無數電子技術。）
永恆的建築
同樣，標準模型將永存。它是一個完整的數學理論——一個多重連線且高度穩定的建築。它將成為一個更大的此類建築的一部分，但它不可能出錯。理論的任何部分都不能失敗，否則整個結構將崩潰。如果該理論是錯誤的，那麼許多成功的測試將是偶然的。它將繼續描述其領域內能量的強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用。
標準模型經過了非常充分的測試。它預測了 W 和 Z 玻色子、膠子和兩個較重的夸克（粲夸克和頂夸克）的存在。所有這些粒子隨後都被發現，並且具有精確的預測屬性。
第二個主要測試涉及電弱混合角，這是一個在描述弱相互作用和電磁相互作用中起作用的引數。對於每個電弱過程，該混合角必須具有相同的值。如果標準模型是錯誤的，則混合角對於一個過程可能具有一個值，對於另一個過程具有不同的值，依此類推。觀察到它在任何地方都具有相同的值，精度約為 1%。
第三，CERN 的大型電子-正電子 (LEP) 對撞機觀察了約 2000 萬個 Z 玻色子。基本上，它們中的每一個都以標準模型預期的方式衰變，標準模型預測了每種衰變例項的數量以及出射粒子的能量和方向的細節。這些測試只是眾多已牢固證實標準模型的測試中的一小部分。
在其完整的輝煌中，標準模型有 17 個粒子和大約相同數量的自由引數——諸如粒子質量和相互作用強度之類的量[參見第 6 頁和第 7 頁的方框]。原則上，這些量可以取任何值，我們只能透過進行測量來了解正確的值。批評者有時會將標準模型的許多引數與中世紀理論家用來描述行星軌道的本輪疊加本輪進行比較。他們想象標準模型的預測能力有限，或者其內容是任意的，或者它可以解釋任何透過調整某些引數來解釋的東西。
事實恰恰相反：一旦在任何過程中測量了質量和相互作用強度，它們就會為整個理論和任何其他實驗固定下來，完全沒有自由度。此外，標準模型所有方程的詳細形式都由該理論確定。除了希格斯玻色子質量之外，每個引數都已被測量。在我們超越標準模型之前，新結果唯一可以改變的是我們對引數知識的精度，並且隨著精度的提高，所有實驗資料保持一致變得越來越難，而不是更容易，因為測量量必須在更高的精度水平上一致。
向標準模型新增更多粒子和相互作用似乎會引入更多的自由度，但情況並非一定如此。最廣泛接受的擴充套件是最小超對稱標準模型 (MSSM)。超對稱性為每個粒子種類分配一個超對稱夥伴粒子。我們對這些超對稱夥伴的質量知之甚少，但它們的相互作用受到超對稱性的約束。一旦測量了質量，由於超對稱性的數學關係，MSSM 的預測將比標準模型受到更嚴格的約束。
十大謎團
如果標準模型執行良好，為什麼必須對其進行擴充套件？當我們追求統一自然力的長期目標時，就會出現一個重要的暗示。在標準模型中，我們可以推斷力並詢問它們在更高的能量下會如何表現。例如，在大爆炸後不久的極高溫度下，力是什麼樣的？在低能量下，強力大約是弱力的 30 倍，是電磁力的 100 多倍。當我們推斷時，我們發現這三種力的強度變得非常相似，但永遠不會完全相同。如果我們將標準模型擴充套件到 MSSM，則力在特定的高能量下變得基本相同[參見對面頁面的方框]。更好的是，引力在略高的能量下接近相同的強度，這表明標準模型力和引力之間存在聯絡。這些結果似乎是支援 MSSM 的有力線索。
擴充套件標準模型的其他原因來自它無法解釋甚至無法容納的現象
1. 我們今天的所有理論似乎都暗示宇宙應該包含巨大的能量濃度，即使在最空曠的空間區域也是如此。這種所謂的真空能量的引力效應要麼會在很久以前迅速捲曲宇宙，要麼會將其膨脹到更大的尺寸。標準模型無法幫助我們理解這個被稱為宇宙學常數問題的問題。
2. 長期以來，人們一直認為宇宙的膨脹正在減速，因為宇宙中所有物質都相互吸引。我們現在知道膨脹正在加速，並且任何導致加速的原因（被稱為暗能量）都不可能是標準模型物理學。
3. 有非常好的證據表明，在大爆炸的最初一瞬間，宇宙經歷了一個稱為暴脹的極速膨脹階段。導致暴脹的場不可能是標準模型的場。
4. 如果宇宙在大爆炸中以巨大的能量爆發開始，它應該演變成等量的物質和反物質（CP 對稱性）。但相反，恆星和星雲是由質子、中子和電子而不是它們的反粒子（它們的反物質等效物）組成的。這種物質不對稱性無法用標準模型解釋。
5. 大約四分之一的宇宙是看不見的冷暗物質，它不可能是標準模型的粒子。
6. 在標準模型中，與希格斯場（與希格斯玻色子相關聯）的相互作用導致粒子具有質量。標準模型無法解釋希格斯相互作用必須採取的非常特殊的形式。
7. 量子修正顯然使計算出的希格斯玻色子質量變得巨大，這反過來又會使所有粒子質量變得巨大。在標準模型中無法避免這種結果，因此會導致嚴重的理論問題。
8. 標準模型不能包含引力，因為它與其他三種力不具有相同的結構。
9. 夸克和輕子（如電子和中微子）的質量值無法用標準模型解釋。
10. 標準模型有三代粒子。日常世界完全由第一代粒子組成，而這一代粒子似乎本身就形成了一個一致的理論。標準模型描述了所有三代粒子，但無法解釋為什麼存在不止一代粒子。
在表達這些謎團時，當我說標準模型不能解釋給定的現象時，我並不是說該理論尚未解釋它，但有一天可能會這樣做。標準模型是一個高度受約束的理論，它永遠無法解釋上面列出的現象。可能存在可能的解釋。超對稱擴充套件對許多物理學家有吸引力的一個原因是它可以解決除第二個和最後三個謎團之外的所有謎團。弦理論（其中粒子由微小的、一維的實體而不是點狀物體表示）解決了最後三個問題[參見邁克爾·J·達夫的《曾經被稱為弦的理論》；《大眾科學》，1998 年 2 月]。標準模型無法解釋的現象是它將如何擴充套件的線索。
標準模型無法回答某些問題並不奇怪——科學中每個成功的理論都增加了已回答問題的數量，但留下了一些未解答的問題。即使改進的理解導致了以前無法提出的新問題，但未解答的基本問題的數量仍在繼續減少。
這些謎團中的一些謎團揭示了今天粒子物理學進入新時代的另一個原因。已經清楚的是，宇宙學中的許多最深層的問題都可以在粒子物理學中找到解決方案，因此這些領域已經合併為粒子宇宙學。只有從宇宙學研究中，我們才能瞭解到宇宙是物質（而不是反物質），或者宇宙大約四分之一是冷暗物質。對這些現象的任何理論理解都必須解釋它們是如何作為大爆炸後宇宙演化的一部分而產生的。但僅靠宇宙學無法告訴我們是什麼粒子構成了冷暗物質，或者物質不對稱性實際上是如何產生的，或者暴脹是如何產生的。對最大和最小現象的理解必須結合起來。
希格斯
物理學家正在努力解決所有這些後標準模型謎團，但標準模型的一個重要方面仍然有待完成。為了賦予輕子、夸克以及 W 和 Z 玻色子質量，該理論依賴於希格斯場，但希格斯場尚未被直接探測到。
希格斯在根本上不同於任何其他場。為了理解它的不同之處，請考慮電磁場。電荷會產生電磁場，例如我們周圍的所有電磁場（只需開啟收音機即可感知到它們）。電磁場攜帶能量。當電磁場在整個空間中消失時，空間的能量最低。在沒有帶電粒子的情況下，零場是自然狀態。令人驚訝的是，標準模型要求當希格斯場具有特定的非零值時，能量最低。因此，非零希格斯場滲透到宇宙中，粒子始終與該場相互作用，就像人們在水中跋涉一樣。這種相互作用賦予了它們質量，它們的慣性。
與希格斯場相關聯的是希格斯玻色子。在標準模型中，我們無法從第一原理預測任何粒子質量，包括希格斯玻色子本身的質量。但是，可以使用其他測量量來計算一些質量，例如 W 和 Z 玻色子以及頂夸克的質量。這些預測得到了證實，增加了對潛在希格斯物理學的信心。
物理學家已經瞭解了一些關於希格斯質量的資訊。LEP 對撞機的實驗人員測量了大約 20 個彼此相關的量，這些量透過標準模型相互關聯。計算這些量的預測所需的所有引數都已測量——除了希格斯玻色子質量。因此，人們可以從資料中倒推，並詢問哪個希格斯質量最適合這 20 個量。答案是希格斯質量小於約 200 吉電子伏特 (GeV)。（質子質量約為 0.9 GeV；頂夸克為 174 GeV。）存在答案本身就強有力地證明了希格斯的存在。如果希格斯不存在並且標準模型是錯誤的，那麼對於這 20 個量以正確的方式相關以與特定的希格斯質量一致，這將是一個非凡的巧合。我們對這個程式的信心得到了增強，因為類似的方法在任何頂夸克被直接探測到之前就準確地預測了頂夸克質量。
LEP 還對希格斯粒子進行了直接搜尋，但它只能搜尋到約 115 GeV 的質量。在 LEP 觸及的非常上限範圍內，少量事件涉及的行為應與希格斯玻色子相同的粒子。但沒有足夠的資料來確定是否真的發現了希格斯玻色子。這些結果共同表明希格斯質量介於 115 GeV 和 200 GeV 之間。
LEP 現已拆除，為 LHC 的建設讓路，LHC 計劃於 2007 年開始採集資料。與此同時，在費米實驗室的 Tevatron 上繼續尋找希格斯[參見上面的插圖]。如果 Tevatron 以其設計強度和能量執行，並且沒有因技術或資金困難而損失執行時間，那麼它可能會在大約兩到三年內確認 115 GeV 的希格斯玻色子。如果希格斯更重，則需要更長的時間才能從背景中顯現出清晰的訊號。如果 Tevatron 按計劃執行，它總共將產生超過 10,000 個希格斯玻色子，並且它可以測試希格斯玻色子的行為是否如預測的那樣。LHC 將成為希格斯玻色子的工廠，產生數百萬個希格斯玻色子並允許進行廣泛的研究。
也有充分的論據表明，MSSM 預測的一些較輕的超對稱夥伴粒子的質量足夠小，以至於它們也可能在 Tevatron 上產生。超對稱性的直接證實可能會在未來幾年內到來。最輕的超對稱夥伴是構成宇宙冷暗物質的主要候選者——它可能首次被 Tevatron 直接觀察到。如果超對稱夥伴存在，LHC 將產生大量的超對稱夥伴，從而明確地測試超對稱性是否是自然界的一部分。
有效理論
為了充分理解標準模型與其餘物理學的關係，以及它的優點和侷限性，用有效理論來思考是有用的。有效理論是對自然界某個方面的描述，它具有原則上至少可以使用更深層次的理論計算的輸入。例如，在核物理學中，人們將質子的質量、電荷和自旋作為輸入。在標準模型中，可以使用夸克和膠子的屬性作為輸入來計算這些量。核物理學是原子核的有效理論，而標準模型是夸克和膠子的有效理論。
從這個角度來看，每個有效理論都是開放式的，並且同樣基本——也就是說，根本不是真正基本的。有效理論的階梯會繼續下去嗎？MSSM 解決了標準模型未解決的許多問題，但它也是一個有效理論，因為它也有輸入。它的輸入可能在弦理論中是可計算的。
即使從有效理論的角度來看，粒子物理學也可能具有特殊地位。粒子物理學可能會將我們對自然界的理解提高到可以制定沒有輸入的理論的程度。弦理論或其表親之一可能允許計算所有輸入——不僅是電子質量和此類量，還包括時空的存在和量子理論的規則。但我們離實現該目標還有一兩個有效理論的距離。
作者
戈登·凱恩，一位粒子理論家，是密歇根大學安娜堡分校的維克多·魏斯科普夫大學物理學教授。他的工作探索了測試和擴充套件粒子物理學標準模型的方法。特別是，他研究希格斯物理學和標準模型的超對稱擴充套件，重點關注理論與實驗的聯絡以及超對稱性對粒子物理學和宇宙學的影響。他的愛好包括打壁球、探索思想史以及尋求理解為什麼科學在某些文化中蓬勃發展而在另一些文化中卻不蓬勃發展。