Z⁰玻色子已经由珍奇的罕见物变成一个宽阔能区中的探索工具。欧洲核子研究中心（CERN）的一台大型电子 - 正电子对撞机LEP已产生够多的Z⁰，致使红子物理和宇宙学的许多预言得以检验。

粒子物理学的标准模型有三个独立的方面：弱电理论，它把电磁力和弱核力结合起来；量子色动力学（QCD），即强核力的理论；对3个夸克 - 轻子族的实在性的探讨。夸克是自旋为1/2的费米子，带有分数电荷，由QCD力束缚在强子（诸如质子、中子、介子）内，强子“感受到”强力的作用。轻子是指3种费米子——电子、μ子、τ子（都带有1个单位电荷）及其不带电的中微子。这个模型是过去50年中对基本粒子及其相互作用研究结果的综合。它之所以被称作模型（而非理论），是因为它的某些部分还保留纯经验性的色彩。

弱电理论和QCD包含严密的数学场论，但迄今为止，实验上还无把这两种理论合并而成的“大统一理论”的证据。人们将大统一理论用来解释3个夸克 - 轻子族的二十几个参数。标准模型的首要成就是预言Z⁰、W玻色子存在，这些量子传递弱相互作用。1972年在日内瓦的CERN的中微子实验中发现了弱力的中性流部分，从而可能扩展恩 · 费米（Enrico Fermi）关于跟电磁学密切相关的β核衰变的假设。Z⁰携带弱中性力，这好比光子携带电磁力一样。W⁺和W^-携带引起β衰变的弱荷流力。1983年在CEEW的质子 - 反质子碰撞实验中最先直接观测到W、Z⁰玻色子。

1989年8月LEP产生的第一批Z⁰粒子数大大超过1989年春天以后由加利福尼亚的斯坦福直线加速器（SLC）产生的Z⁰粒子数。LEP的五十万个以上的Z⁰衰变事例现已由其4组测试设备——OPAL，ALEPH，L3和DELPHI作出分析。每组测试由几百个来自世界各地的大学和实验室的物理学家分头合作地进行。

LEP做些什么

高能的电子 - 正电子对撞，可能发生弹性散射（称为巴巴散射），抑或可能会湮灭。倘若湮灭，则形成短寿命的中间粒子，或为光子，或为Z⁰玻色子，其质量M_I等于两束入射粒子的能量之和（以GeV为单位，令光速c=1，爱因斯坦质能公式E=mc²变成2E_束=E_I=M_I）。通常，M_I或许是“带误差的质量”；但如果扫描能量为43~17 GeV之间的入射粒子束，依据实粒子的质量（91.1 GeV），可扫描其结合能。这样一种扫描，实际上是LEP在不同能量高度上的许多次运转的综合结果。先在磁储存环里充满20 GeV的相互反向回转的电子束和正电子束，这两束粒子取自别的一连串加速器及其储存环，尔后将磁环电流暴增至一对应于45 GeV能量的选定值，使高频共振腔接通电源以加速粒子。LEP内的真空度是那么高，以致粒子束的能量可保持10小时以上而不变，以待测试设备收集数据。

测试分别针对4个对撞点进行，电子束和正电子束在对撞点相遇。从各个方向探测对撞后的出射粒子，唯绕着粒子束的40毫弧度的立体角范围除外。探测器分层排列。内层探测器沿着出射荷电粒子流的轨迹反复取样，通过它们在磁场中的运行曲率测量其动量，并通过其电高速率或切伦科夫辐射鉴定某些粒子的类型。外层是一些“量热器”——质量吸收器；其中，初级粒子相互作用，并把能量储存在次级粒子的显示器里。电子和高能光子（γ射线）把所有能量留在第一层量热器里；而质子、中子和介子穿行较深层的吸收器；高能μ子则穿过所有量热器，按其出射轨迹辨认之。

在1989年8月至1990年9月这十三、四个月间，LEP的能量达到43~47 GeV，大部分运转时间花费在接近Z⁰峰的中心（达到每束能量～45.5 GeV）。利用计算机画出典型湮灭事例的轨迹，根据每种粒子的特征行为辨明湮灭事例的4个清晰区域，并可能计算其能量。这4个区域对应于Z⁰的4个主要的可测衰变道：变为电子和正电子；衰变成μ子和反μ子；衰变成τ子和反τ子；变为夸克 - 反夸克对。在这4个衰变道中，Z⁰显然像一个共振放大态，其中心能量为M_I=（Z⁰质量）M_Z。衰变道的3个参数M_Z，Z⁰共振峰总宽度Γz，峰截面σ₀和其他一些基本参数列于附表中，表的最后一列为标准模型的预算值。实验误差甚至仅小于1%，与理论预算值符合得很好。

轻子型中微子的种数

看来，可肯定地得出结论：只有3种带有普适耦合方式的中微子，以致把它们鉴定为3种荷电轻子——电子、μ子、τ子的中性伙伴。N_v的数值完全切合大爆炸学说中的核合成假设。当宇宙里中微子相互作用变得如此微弱，以致中微子与膨胀的等离子体的热平衡解耦时等离子体的冷却率正由轻子型中微子的种数所决定；反过来，冷却率决定了有多少种中微子适合于形成轻核。有3种轻子型中微子的结论与目前的计算以及观测到的⁴ He，² D，³He和Li的原始丰度完全符合。

LEP的成果对Γ_inv的其他起因留有一些余地，其他起因乃指：具有非标准耦合方式的中微子；带有低于45 GeV质量的重中微子；带有低质量的中性超对称粒子。当然，可能存在质量大于Z⁰质量一半的新的中性粒子，但因为Z⁰不可能衰变成这种粒子对，LEP就不可能观测到它们。LEP的成果与涉及中微子的两个其他的天体物理问题——观测到的太阳射出的中微子相互作用的低比率问题和“暗物质”问题——还没挂起钩来。

对顶夸克质量的测试

附表倒数第二列中的这些参数值（四组测试结果的平均值）是如此精确，如此接近于标准模型的预算值，以致可确定起因于高阶过程的修正值的限度，高阶过程包含表示某些有待探究的粒子（在LEP能量高度，这些粒子太重以致作为实粒子而产生）的圈图。因此，对标准模型的预算值的甚小偏离或许是一种晃动；在更高能量，该模型可能失效。事实上，必须作出适合于“猜测的未知物理学”的高阶修正，即涉及到重的顶夸克，以及可能存在的重黑格斯粒子。

有t夸克存在的间接证据。在每个方面，b夸克的行为都像带-1/3电荷的粒子，并具有与d夸克和s夸克很相像的耦合方式。自然会相象：带-1/3电荷的b夸克以带+2/3电荷的t夸克作为其伙伴（正如d夸克有伙伴u夸克，s夸克有伙伴c夸克一样）；不仅如此，而且如果弱电理论是重正化的，这实际上正就要求b夸克以带有+2/3电荷的粒子为伙伴，才可抵消因一组所谓“畸态”的高阶过程所产生的无限大贡献。

假定t夸克存在，将其质量取作模型的一个自由参数而确定之。实验中被测量的量对于黑格斯粒子的假设质量并不十分敏感，但有些量对于顶夸克质量m_t是很有意又的。M_b仅为5 GeV，而m_t可能大于W和Z⁰的质量，所以b夸克和t夸克对圈图的贡献有很不同的“质量误差”效应。

费米实验室的CDF协作组在核电子伏（TeV）加速器上通过PP对撞实验研究t夸克，得出其质量m_t的下限为89 GeV。 LEP测试对的粗略估计值为200 GeV，而用三种较复杂的方法，由附表提供的Γ_l，M_Z以及W的质量M_w（=79.9±0.04 GeV）等参数的取值算得m_t的最佳值为m_t=137±40 GeV。

轻子与夸克的耦合

过去15年中，已企图通过很大能区范围的中微子散射和其他实验测量g_vl－Z⁰与轻子对耦合的中性流的矢量部分，但从未实现。而在LEP运转的1年间，已测得g_vl，并证实弱电理论关于g_vl很小且取负值的预言。LEP的四组测试所采取的方法最清晰：是测量e⁺e^-，μ⁺μ^-和τ⁺τ^-末态的“前后不对称量”A_FB。A_FB=（N₊－N_-）/（N₊＋N_-），其中N₊是具有沿着初态质子运动方向的正分量的正电荷轻子末态事例数，N_-是具有相应之负分量的末态事例数。预言在Z⁰峰值处，A_FB正比于［g_vlg_Al/（g_vl＋g_Al）］²（g_Al是Z⁰与轻子对耦合的中性流的轴矢量部分）。因g_vl与g_Al相比很小，预计在M_Z处A_FB十分接近于零。ALBPH实验组已测得g_vl/g_Al=0.090±0.030。

三组测试设备（ALEPH，L3，OPAL）已经测量了对于在Z⁰峰，其bb^-对生成的A_FB。重b夸克形成的喷注具有很大的横向动量（而轻夸克u，d，s，c不可能产生大的横向动量）。日本加速器交叉存储器（TRIS TAN）亦已测定了A_FB。对于bb生成事例，测量值A_FB=-0.65±0.16，与标准模型的预算值非常符合；这使人们坚信t夸克必然存在。

除了测量前后不对称性（A_FB）以外，LEP的四个测试组以及SLC的MarkⅡ还测量了Γ_bB₁乘积，其中Γ_b是Z⁰衰变成bb的部分宽度，B₁是在Z⁰峰值处，b夸克衰变成μ子或电子的分支比。适当假定B₁值，Γ_b与弱电模型的预算值相符。ALEPH，DELPHⅠ和L3三组测试已经认定cc之一例，在30%误差范围里证实了Γ_c的预算值。OPAL从对由夸克的末态辐射产生的强光子的观测出发，测量了Z⁰衰变成带+2/3电荷的夸克（u+c）和Z⁰衰变成带-1/3电荷的夸克（d+s+b）的比率，与理论预算值在25%的误差范围里相符。所有证据都支持“夸克普遍性”的假定。与带-1/3电荷的夸克的弱耦合一样，与带+2/3电荷的夸克的弱耦合也都相当。这一切都与弱电理论一致。

对希格斯玻色子的探索

希格斯场与其他任何粒子的耦合强度都正比于那粒子的质量；这是由基于弱电理论，在给定Z⁰玻色子质量时的希格斯场规则必然得出的结论。如果希格斯玻色子H⁰作为希格斯场的量子而存在，并且如果其质量小于M_Z，那么最可能产生Z⁰→H⁰+Z*过程，其中Z^*是短寿命虚Z⁰粒子，它会衰变成e⁺e^-，μ⁺μ^-和τ⁺τ^-，或正反夸克对，或正反中微子对。既然耦合强度正比于与其相互作用的粒子的质量，那么希格斯玻色子最先衰变成能量守恒所允许的最重粒子。就是说：倘若衰变的希格斯粒子质量所相应的能量低于e⁺e^-能阀，便衰变成光子对；倘若低于μ子对能阀，便衰变成e⁺e^-；倘若低于π介子对能阀，便衰变成μ子对；倘若低于τ子对能阀，便衰变成π介子对（而假如要产生奇夸克对，其能量又太低）；倘若低于粲夸克对，能阀便衰变成τ子对；倘若低于b夸克对能阀，便衰变成粲夸克对。

目今LEP的测试设备在作探索，但未能发现希格斯粒子生成事例，及其从零到LEP机的最高能量的整个能区上的衰变事例；还研究在能区的每个能量高度的优越衰变模型。随着更多的实验数据积累起来，探索继续到更高的希格斯玻色子的质量尺度——高于b夸克对能阀（~11 GeV）：涉及如下过程

这样的事例往往有两个粒子喷注，但或许在两个方面不同于正常的Z⁰衰变喷注：两个丢失的中微子带走很大动量；通过寻找带有大横向动量的μ子或电子确认b夸克的实在性。LEP的四个测试组都已在探索这样的事例，但没有一个组已发现。仅分别得出希格斯粒子的下限为41.6 GeV（ALEPH），34 GeV（DELPHⅠ），36.2 GeV（L3）和39.4 GeV（OPAL）。LEP的探索计划在继续下去，如果希格斯粒子的质量≤60 GeV，则必会探测到。到1994年，LEP将实现100 GeV的电子束与100 GeV的正电子束的对撞，于是将把下限提高到80 GeV。

后标准模型

近期提出的所谓后标准模型（Beyond the Stand-ard Model）当然还不完备，但已可解释许多参数。况且，实验上还没有验证引力与弱电理论和QCD理论的关系。故而人们企图采取新的综合理论，去解释夸克（质量）谱、矢量玻色子谱和希格斯玻色子谱，提议的是如下方式：引入“前子”（preon）——一种依托于某个“综合标量”Λ_c、质量不为零的更基本的粒子集合。LEP的实验和pp对撞实验已确定Λ_c的下限在500 GeV~1TeV之间。

而超对称理论以巧妙的方式统一各种规范理论，以解决一些基本何题，并最终可把引力也包括进去。此理论预言已观测到的费米子一s夸克和s轻子的整数自旋伙伴的质量谱，以及已观测到的玻色子一一W粒子、Z粒子、胶子和光微子的半整数自旋伙伴的质量谱。LEP现在对这些粒子所给定的质量下限都在40 ~ 45 GeV。至于“超弦”模型预言有较重的Z'玻色子，这可修改中性流耦合方式。费米实验室对撞实验直接去搜寻Z'，但还未发现高达190 GeV的任何征兆。

火爆炸物理有一个重要问题：为什么我们宇宙的物质数量超过反物质。赛克哈洛夫（A. Sakharov）提出一种后来被并入大统一理论的机制，它要求在宇宙膨胀的甚早期“电荷 - 字称”（CP）对称性破缺。别的同类模型也要求质子以可测量速率衰变。因此，美国、日本和意大利还在继续进行测量质子寿命的实验。由某一个模型得出希格斯玻色子的质量为45±5 GeV，但此估值已被LEP的实验结果否定。

前 景

1991~1992年间LEP的技术设备将改善，从而使粒子束对撞的亮度，主要是Z⁰粒子的生成率进一步升高。在观测极化轻子的衰变和重夸克的产生和衰变时测量前后不对称性的精确度可望显著提高。

对LEP机的几种改善方式将使对标准模型的检验愈加全面：测量束流中电子和正电子的自旋的横向极化的设备已经设置。这是利用回转粒子的磁矩与制导磁场的相互作用。如果极化是明显的，值得去安装额外磁铁，使其转向纵向极化方向（在相互作用点），给出“左手粒子”和“右手粒子”，其散射对于模型的预言是很敏感的。一旦顶夸克的质量得知，对极化粒子束的测量使人们能够测量希格斯玻色子的质量；即使太重，仍将在LEP机上产生。SLC也试图产生极化粒子束。

及至1995年，LEP可能要加建附加的超导高频加速腔。这个LEP第Ⅱ工程的主要目标是使质心能量超过W玻色子质量的2倍，这样便可产生W⁺W^-对。W对的生成率随能量的变化情况可用来检验弱电理论是否容纳人们设想的WWZ三重规范玻色子耦合方式。待到附加的高频高速腔安装就绪，便可能增大LEP中的电子束和正电子束的环流量，从而进一步提高束流的亮度，以给出Z⁰共振态的更好得多的统计行为。除了允许作更精确的不对称性测量外，LEP或许转化成“b夸克工厂”，生产几百万个正反b夸克对。

已经确定下述进一步的目标：要求LEP产生bb对的数目比目前所产生的高10~100倍。通过在超过10 GeV总能量高度上的e⁺e^-碰撞，建起一个“b夸克工厂”；在这种“专用工厂”里Y共振态（bb束缚态）的产生截面增强许多，γ并几乎全部衰变成B介子。

希望在费米实验室的核电子伏加速器测量t夸克的质量，但只测到很少的事例，而且由PP碰撞而遗留的其他夸克生成散片，使分析事例复杂化了。t夸克生成事例看来与c夸克和b夸克生成事例很不同。前面说过CDF极限给出m_t＞89 GeV，要求t夸克的质量比W粒子和b夸克的质量之和大。故而一个t夸克会很快地分解成一个实W粒子和一个b夸克。因此会有长寿命T介子，它类似于K（奇异）介子、D（粲）介子和B（底）介子。如果m_t＞150 GeV，既不会有任何t夸克偶素（tt束缚态，类似于粲夸克偶素cc态一一J/Ψ和Ψ'粒子），又不会有γ粒子的bb态。但是如果t夸克偶素存在，由其共振宽峰的精确位置可知非微扰QCD的夸克间（在远小于0.1费米距离上）的作用力强度。加速器设计者为建造高亮度e⁺e^-直线对撞机（超过LEP第Ⅱ工程的限度——每对撞束流能量为100 GeV）以研究清晰的tt产生事例，然后向1TeV（1TeV=10³GeV=10⁶MeV=10¹²eV）能区进军而发展技术，现还有许多技术问题有待解决。

倘若希格斯粒子的质量大于80GeV，必须在比LEP更高能量的机器上探索，或许意味着就须在强子对撞机上工作，因为在设计甚高能量的e⁺e^-直线对撞机时尚有未能解决的问题。两台很高能量的机器——在美国的德克萨斯州的超导超级对撞机（PP对撞，而非PP对撞，每束P达20TeV能量）和在CERN的大型强子对撞机（PP对撞，每束P达8TeV能量，并有很高的亮度）——已在规划中。探索重希格斯玻色子是这两台机器的初步目标。如果希格斯粒子不存在，那么在TeV能量高度，会出现某些别的东西：这种可能性对于回答粒子物理的一些基本问题、探讨宇宙学的重要涵义，会给出很惊人的实验结果。所谓“TEV物理”的奥秘正等待着人们去揭示。

[Nature，1991年1月31日]