是时候重新审视粒子物理学标准模型了吗？

美国最大的粒子加速器费米实验室（Fermilab）在 28 年辉煌的职业生涯后于 9 月 30 日关闭，它为我们带来了粒子物理学的一些最伟大的发现。

这使得欧洲的欧洲核子研究中心（CERN）（见左图）能够通过其大型强子对撞机引领未来的发现。这个实验物理学的里程碑为我们提供了一个机会，重新审视物理学家在探索理解宇宙运作方式时构建和依赖的理论模型：粒子物理学标准模型。

标准模型是一个关于自然基本粒子及其行为控制力的综合理论，它是在半个世纪以来许多理论物理学家和实验物理学家密集工作的基础上构建起来的。

该模型运作得非常好，和谐地结合了理论和实验，并产生了关于粒子和力行为的极其准确的预测。但是，该模型现在是否开始显露裂痕了？

这一切始于 1928 年的一个冬夜。保罗·狄拉克（Paul Dirac）在剑桥圣约翰学院壁炉的火焰旁凝视时，做出了科学史上最重要的发现之一，他看到了如何将薛定谔的量子力学方程与爱因斯坦的狭义（而非广义）相对论相结合。

这项成就催生了相对论量子场论——它是标准模型的基础理论——并产生了两个直接后果：解释了电子的自旋，以及狄拉克惊人的反物质存在预言（几年后通过发现正电子得到证实）。在 20 世纪 40 年代末，理查德·费曼（Richard Feynman）、朱利安·施温格（Julian Schwinger）和朝永振一郎（Sin-Itiro Tomonaga）各自独立地提出了第一个量子场论，称为量子电动力学，它解释了电子和光子的电磁相互作用。它构成了标准模型的第一部分，处理由电磁场控制的相互作用。

该理论的成功激励了其他理论物理学家构建类似的量子场论，以解决弱核力和强核力的作用——因此，除了引力（爱因斯坦的*广义*相对论的主题）的作用之外，粒子物理学中的一切都得到了解释。到了 20 世纪 70 年代，结果——标准模型——就准备好了：一个关于所有基本粒子（轻子和夸克）以及它们通过称为玻色子的粒子（如光子）的作用而产生的相互作用的量子场论。多年来，在斯坦福、布鲁克海文、费米实验室和欧洲核子研究中心使用越来越强大的粒子加速器进行的实验，发现了粒子“动物园”，所有这些粒子及其相互作用都可以用该模型来解释。

标准模型，其底层数学深深植根于对称性的概念，向两个新方向发展：一个方向是提出了被称为希格斯机制的理论——通过希格斯玻色子“打破对称性”来赋予基本粒子质量。（假设存在一个原始的“对称性”，在该对称性下所有粒子都是无质量的——通过希格斯机制“破缺的对称性”使光子无质量，但赋予其他粒子质量。）第二个方向称为超对称性，它是试图将标准模型固有的数学对称性扩展到一个更大的框架，该框架将包括尚未发现的、可能识别出被认为弥漫在星系中的神秘“暗物质”的粒子。

正是为了寻找希格斯玻色子并发现至少一种超对称性预言的新粒子，欧洲核子研究中心在瑞士和法国日内瓦附近建造了耗资超过 100 亿美元的庞大项目——大型强子对撞机（LHC）。LHC 于 2010 年 3 月 30 日开始运行（以其最大能量的一半），在随后的一年半时间里，它提供了关于标准模型粒子和力的宝贵新信息。

但令许多物理学家惊讶的是，到目前为止，它在发现希格斯玻色子或任何超对称性预言的粒子方面都完全失败了。更令人费解的是，一个在欧洲核子研究中心利用粒子碰撞在地球上向意大利发送中微子的相关项目，得出了一个令人困惑的发现——尽管大多数物理学家对此深表怀疑——即可由标准模型解释的轻子中微子，可能以比光速还快的速度行进。

这些完全出乎意料的发现让旧的标准模型焕然一新。其向超对称性领域的扩展几乎已成泡影；希格斯概念——模型的核心——可能不得不被替代的质量赋予机制所取代；而中微子及其行为则需要彻底重新审视。尽管上个世纪的前三分之二世纪是物理学伟大理论的时代，但现在这个时代可能属于实验物理学家——因为他们最有可能为我们提供重大问题的答案。