规范对称性与场论

标准模型的规范群 SU(3)×SU(2)×U(1)

/ ess-you-three cross ess-you-two cross you-one /

每台造得好的机器都有一张零件清单。对标准模型——我们关于原子内部粒子与力的最佳理论——而言,那张零件清单浓缩在一个看上去古怪的标签里:SU(3) × SU(2) × U(1)。每个因子都是一种规范对称性的名字,是一个描述场的内部标签之间某种局域“旋转”的数学群。整个表达式简略地说:大自然运行在三种彼此交织、并肩工作的规范对称性之上,而我们看到的各种力,正是这些对称性所要求的。

逐个因子来读:U(1) 是最简单的规范对称性,一圈相位选择,它(连同 SU(2) 的一部分)支撑着电磁学——其传递者是光子。SU(2) 是略微丰富一些的对称性,它把成对的状态混合起来,与弱相互作用相关;与 U(1) 结合,便给出统一的“电弱”理论,其传递者是光子和 W、Z 玻色子。SU(3) 是夸克所带的三种“色”荷的对称性,它产生强相互作用;其八位传递者是胶子。那个“×”只表示三种对称性各自独立、同时作用。哪些粒子感受哪种力,这种格局编码在每个粒子如何回应每一个因子之中。

这个紧凑的群是整个标准模型的结构骨架:选定这个规范群,把观测到的粒子放进去,规范原理就把全部三种非引力的力连同其相互作用一并交给你,且都被固定。半个世纪以来,它的预言通过了每一次对撞机检验。有两个坦诚的注意点值得说明:其一,这些标签是抽象的——SU(3) 的“色”与可见的颜色毫无关系,电弱的 U(1) 也不是日常的电荷,而是一个相关的量,叫做超荷。其二,大自然为何恰好选了这个组合,而不是别的群,至今没有解释——这是一条诱人的线索,暗示在它之外或许藏着一个更深、更统一的对称性。

单个电子就是这个群的一份小小普查表:它完全无视 SU(3)(它没有色荷,所以不感受强相互作用),它回应 SU(2) 和 U(1)(所以它感受弱相互作用与电磁力)。相比之下,夸克对三者都有回应。谁感受什么的完整格局,不过是规范群在为粒子分门别类。

一个粒子感受哪些力,取决于它如何回应规范群的每个因子。

不要把这三个因子读成“三种各自独立、地位相等的力”。SU(2) 与 U(1) 纠缠成电弱理论,只有在希格斯场打破部分对称性之后,才分裂出我们熟悉的光子与 W/Z 那幅图景。

又称
SM gauge group标准模型规范群SU(3)c x SU(2)L x U(1)Y