一旦我們用遠超出目前粒子加速器所及的能量，去檢驗準粒子物理模型，這模型就會開始出問題。所以無論大型強子對撞機有什麼發現，粒子物理必會進入新天地。
撰文╱奎格（Chris Quigg）
翻譯／高涌泉
重點提要
■大型強子對撞機（LHC）一旦開始探索未知的領域，一定會發現新穎又刺激的東西。
■粒子物理的標準模型需要一種稱為希格斯玻色子的粒子，或是其他扮演相同角色的替代粒子，而該粒子的質量則落在LHC所探索的能量範圍之內。希格斯粒子還會帶出深奧的問題，其答案也應該可以在相同能量範圍之內找到。
■這些現象環繞著對稱的問題。對稱是標準模型中交互作用的基礎，但是未必會永遠反應於模型的運作之上。了解對稱為何破缺，是主要的問題。
如果物理學家被迫要以一個字來說明建造大型強子對撞機（LHC）的理由，他們通常會回答「希格斯粒子」（Higgs particle）。希格斯粒子是大家關注的焦點，它是現今最成功的粒子理論中，剩下還沒有被找到的粒子。不過整個故事遠比這有趣得多。在粒子物理史上，新對撞機在能量上的躍升是前所未見的。我們不知道它會發現什麼，但是它所找到的東西以及所撞見的新問題，必將改變粒子物理的面貌，而且將影響相關的科學領域。
在這個新世界裡，我們希望能夠弄懂，將電磁交互作用與弱交互作用這兩種自然界中的力區分開來的，到底是什麼。這對於我們如何看待日常世界將有廣泛的影響。對於一些簡單又深奧的問題，我們將獲得更新的了解，像是為什麼有原子？為什麼有化學？為什麼能有穩定的結構？
尋找希格斯粒子是關鍵的一步，但它只是第一步而已。在這之外還存在著一些現象，它們或許可以澄清為何重力會遠比其他自然界的力還弱，並揭露充滿宇宙的神秘暗物質的面目。我們還可能更進一步了解物質的各種形式、時空的性質，以及外在形式相異的各類粒子所具有的內在統合性質。這些問題彼此似乎都有關聯，而且也牽涉到當初引發物理學家預測出希格斯粒子的一堆問題。LHC將幫助我們改進這些問題，也會讓我們起步去找出答案。
以實驗驗證標準模型 粒子物理中的「標準模型」能夠解釋已知世界中的很多東西，而它的名稱也意味著它還在進展。標準模型是在進展快速的1970與1980年代建構出來的，當時一連串重要的實驗發現與新提出的理論得以相輔相成。很多粒子物理學家把過去15年看成是鞏固的年代，和更早快速前進的年代不一樣。然而，儘管標準模型已經獲得更多實驗的支持，可是也有越來越多現象超出了標準模型的範圍，同時新的理論想法也擴充了我們的概念，描繪出一個更豐富、更完備的世界觀的可能模樣。實驗與理論兩者持續搭配發展，意味著未來10年粒子物理將蓬勃發展，或許我們將來回頭看，會看到革命其實一直就在蘊釀。
依我們目前的了解，物質由夸克與輕子這兩大類粒子所構成，此外還要再加上四種已知基本力中的電磁力、強力與弱力（參見第34頁〈究竟什麼是物質？〉）。我們這裡暫且將重力放在一旁。夸克構成了質子與中子，並能產生與感受電磁力、強力與弱力。輕子中最著名的是電子，這類粒子不會感受到強力。夸克與輕子的區別在於夸克帶有顏色而輕子則否。所謂的顏色是和電荷類似的概念，這只是一種比喻，和普通的顏色沒有關係。
標準模型的指導原則是，它的方程式必須是對稱的。就好像無論你從什麼角度去看一顆球，它看起來都是同一個樣子。對於方程式來說，如果你改變定義方程式的觀點，方程式也必須維持不變。不僅如此，如果我們在時空中的不同點採取不同觀點，方程式也仍然保持不變。
當我們如果要求一個幾何物體具有對稱，此物體的形狀就必須受到嚴格的限制；一顆球如果有些凹凸，它就不可能從任何角度看起來都一樣。同樣地，方程式的對稱性也會對方程式設下嚴格的限制。這些對稱所導致的交互作用，則是由玻色子這種特殊粒子來傳遞的。
標準模型以這種方式顛覆了蘇利文的格言「功能決定形式」，而在標準模型裡卻是「形式決定功能」。換句話說，理論的形式（表現於方程式所定義出的對稱之中）決定了由理論來描述的功能（粒子間的交互作用）。例如，假設我們要求無論怎樣選擇定義夸克的顏色（而且這種選擇不會依時空點的不同而異），描述夸克的方程式必須保持不變，則這種要求就會導致強核力，強力是由八種稱為膠子的粒子所傳遞的。另外電磁力與弱力種力則整合成「電弱力」，而它們奠基於另一種對稱。電弱力是由四種粒子來傳遞：光子、Z玻色子、W＋玻色子、W－玻色子。
以對稱破缺解釋電弱理論 電弱交互作用的理論是由格拉肖、溫伯格和薩萊姆所提出來的，他們以此獲得了1979年諾貝爾物理獎。弱力所涉及的是輻射性β衰變，不會作用在所有的夸克與輕子。每個夸克與輕子都還可再分成左旋與右旋兩類，兩者互為鏡像。β衰變力只會作用於左旋粒子，這件事發現於50多年前，現今我們還不了解原因。不同左旋粒子之間的對稱定義了電弱理論。
電弱理論在建構之初有兩項缺點。首先，它預測有四種傳遞長距力的粒子，這類粒子稱為規範玻色子；但是自然界只有一種長距力粒子，即光子。其他三種規範玻色子都只會傳遞短距力，範圍約在10-17公尺之內，也就是比質子半徑的1/100還小些。根據海森堡測不準原理，這意味著這些傳遞短距力的粒子帶有約等於1000億電子伏特（即100GeV）的質量。第二項缺點是夸克之間與輕子之間的家族對稱，意味著夸克和輕子不能帶有質量，然而夸克與輕子都是有質量的粒子。
科學人雜誌網站
撰文╱奎格（Chris Quigg）
翻譯／高涌泉
重點提要
■大型強子對撞機（LHC）一旦開始探索未知的領域，一定會發現新穎又刺激的東西。
■粒子物理的標準模型需要一種稱為希格斯玻色子的粒子，或是其他扮演相同角色的替代粒子，而該粒子的質量則落在LHC所探索的能量範圍之內。希格斯粒子還會帶出深奧的問題，其答案也應該可以在相同能量範圍之內找到。
■這些現象環繞著對稱的問題。對稱是標準模型中交互作用的基礎，但是未必會永遠反應於模型的運作之上。了解對稱為何破缺，是主要的問題。
如果物理學家被迫要以一個字來說明建造大型強子對撞機（LHC）的理由，他們通常會回答「希格斯粒子」（Higgs particle）。希格斯粒子是大家關注的焦點，它是現今最成功的粒子理論中，剩下還沒有被找到的粒子。不過整個故事遠比這有趣得多。在粒子物理史上，新對撞機在能量上的躍升是前所未見的。我們不知道它會發現什麼，但是它所找到的東西以及所撞見的新問題，必將改變粒子物理的面貌，而且將影響相關的科學領域。
在這個新世界裡，我們希望能夠弄懂，將電磁交互作用與弱交互作用這兩種自然界中的力區分開來的，到底是什麼。這對於我們如何看待日常世界將有廣泛的影響。對於一些簡單又深奧的問題，我們將獲得更新的了解，像是為什麼有原子？為什麼有化學？為什麼能有穩定的結構？
尋找希格斯粒子是關鍵的一步，但它只是第一步而已。在這之外還存在著一些現象，它們或許可以澄清為何重力會遠比其他自然界的力還弱，並揭露充滿宇宙的神秘暗物質的面目。我們還可能更進一步了解物質的各種形式、時空的性質，以及外在形式相異的各類粒子所具有的內在統合性質。這些問題彼此似乎都有關聯，而且也牽涉到當初引發物理學家預測出希格斯粒子的一堆問題。LHC將幫助我們改進這些問題，也會讓我們起步去找出答案。
以實驗驗證標準模型 粒子物理中的「標準模型」能夠解釋已知世界中的很多東西，而它的名稱也意味著它還在進展。標準模型是在進展快速的1970與1980年代建構出來的，當時一連串重要的實驗發現與新提出的理論得以相輔相成。很多粒子物理學家把過去15年看成是鞏固的年代，和更早快速前進的年代不一樣。然而，儘管標準模型已經獲得更多實驗的支持，可是也有越來越多現象超出了標準模型的範圍，同時新的理論想法也擴充了我們的概念，描繪出一個更豐富、更完備的世界觀的可能模樣。實驗與理論兩者持續搭配發展，意味著未來10年粒子物理將蓬勃發展，或許我們將來回頭看，會看到革命其實一直就在蘊釀。
依我們目前的了解，物質由夸克與輕子這兩大類粒子所構成，此外還要再加上四種已知基本力中的電磁力、強力與弱力（參見第34頁〈究竟什麼是物質？〉）。我們這裡暫且將重力放在一旁。夸克構成了質子與中子，並能產生與感受電磁力、強力與弱力。輕子中最著名的是電子，這類粒子不會感受到強力。夸克與輕子的區別在於夸克帶有顏色而輕子則否。所謂的顏色是和電荷類似的概念，這只是一種比喻，和普通的顏色沒有關係。
標準模型的指導原則是，它的方程式必須是對稱的。就好像無論你從什麼角度去看一顆球，它看起來都是同一個樣子。對於方程式來說，如果你改變定義方程式的觀點，方程式也必須維持不變。不僅如此，如果我們在時空中的不同點採取不同觀點，方程式也仍然保持不變。
當我們如果要求一個幾何物體具有對稱，此物體的形狀就必須受到嚴格的限制；一顆球如果有些凹凸，它就不可能從任何角度看起來都一樣。同樣地，方程式的對稱性也會對方程式設下嚴格的限制。這些對稱所導致的交互作用，則是由玻色子這種特殊粒子來傳遞的。
標準模型以這種方式顛覆了蘇利文的格言「功能決定形式」，而在標準模型裡卻是「形式決定功能」。換句話說，理論的形式（表現於方程式所定義出的對稱之中）決定了由理論來描述的功能（粒子間的交互作用）。例如，假設我們要求無論怎樣選擇定義夸克的顏色（而且這種選擇不會依時空點的不同而異），描述夸克的方程式必須保持不變，則這種要求就會導致強核力，強力是由八種稱為膠子的粒子所傳遞的。另外電磁力與弱力種力則整合成「電弱力」，而它們奠基於另一種對稱。電弱力是由四種粒子來傳遞：光子、Z玻色子、W＋玻色子、W－玻色子。
以對稱破缺解釋電弱理論 電弱交互作用的理論是由格拉肖、溫伯格和薩萊姆所提出來的，他們以此獲得了1979年諾貝爾物理獎。弱力所涉及的是輻射性β衰變，不會作用在所有的夸克與輕子。每個夸克與輕子都還可再分成左旋與右旋兩類，兩者互為鏡像。β衰變力只會作用於左旋粒子，這件事發現於50多年前，現今我們還不了解原因。不同左旋粒子之間的對稱定義了電弱理論。
電弱理論在建構之初有兩項缺點。首先，它預測有四種傳遞長距力的粒子，這類粒子稱為規範玻色子；但是自然界只有一種長距力粒子，即光子。其他三種規範玻色子都只會傳遞短距力，範圍約在10-17公尺之內，也就是比質子半徑的1/100還小些。根據海森堡測不準原理，這意味著這些傳遞短距力的粒子帶有約等於1000億電子伏特（即100GeV）的質量。第二項缺點是夸克之間與輕子之間的家族對稱，意味著夸克和輕子不能帶有質量，然而夸克與輕子都是有質量的粒子。
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