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第二节 粒子世界（第1页）

第二节：粒子世界

世界所有的物质都是由分子或直接由原子构成的。原子是化学反应的基本微粒，原子在化学反应中不可分割。原子直径的数量级大约是10-10M。原子质量极小，且99。9%集中在原子核。原子核外分布着电子，电子决定了一个元素的化学性质，并且对原子的磁性有着很大的影响。所有质子数相同的原子组成元素，每一种元素至少有一种不稳定的同位素，可以进行放射性衰变。质子数等于电子数，因此正负抵消，原子就不显电。原子是个空心球体，原子中大部分的质量都集中在原子核上，原子核假如是葡萄（20mm）大小，那么整个原子的范围应该在200米范围左右。其他都是电磁场，电子好比这个200米原子运动场中运动的一粒沙子，质子大小好比一个米粒。而夸克是原子核的万分之一，就好比一个微小的尘埃。

基本粒子要比原子、分子小得多，现有最高倍的电子显微镜也不能观测到。质子、中子的大小，只有原子的十万分之一。而轻子和夸克更小，还不到质子、中子的万分之一。粒子的质量是粒子的一个主要特征量，按照粒子物理的规范理论，所有规范粒子的质量为零，而规范不变性以某种方式被破坏了，使夸克、带电轻子、中间玻色子获得质量。现有的粒子质量范围很大，光子、胶子是无质量的，电子质量很小，π介子质量为电子质量的280倍，质子、中子都很重，接近电子质量的2000倍，已知最重的粒子是顶夸克。已发现的六种夸克，从下夸克到顶夸克，质量从轻到重。中微子的质量非常小，目前已测得的电子中微子的质量为电子质量的七万分之一，已非常接近于零。

在国际当前流行的量子构成方面，最成功地被科学检验的是粒子模型。

粒子模型指的是物质构成单元有不可再分割的粒子构成，在夸克模型提出后，人们认识到基本粒子也有复杂的结构，故现在一般不提“基本粒子”这一说法。根据作用力的不同，粒子分为强子、轻子和传播子三大类。

粒子标准模型

虽然标准模型对实验结果的解释很成功，但也有很大的缺陷。首先，模型中包含了许多参数，如各粒子的质量和各相互作用强度，这些数字不能只从计算中得出，而必须由实验决定。其次，关于标准模型理论所预测的希格斯玻色子问题。虽然欧洲大型对撞机发现了相似度非常高的完美疑似粒子，但是其被确认还需要经过一段时间的相关实验的考验，再者弱电对称破缺还没有满意的解释，另外还有标准模型理论中存在所谓的自然性问题。最后，这理论未能描述引力。

标准模型包含费米子及玻色子。费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不相容原理（该原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态）的粒子，玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不相容原理。费米子就是组成物质的粒子而玻色子则负责传递各种作用力。在规范场中，费米子与玻色子配对使用。

标准模型包含的玻色子有：

胶子：强相互作用的媒介粒子，自旋为1，有8种。

光子：电磁相互作用的媒介粒子，自旋为1，只有1种。

W及Z玻色子：弱相互作用的媒介粒子，自旋为1，有3种。赋予万物以质量的希格斯粒子1种。

在玻色子中，只有希格斯玻色子不是规范玻色子，而引力子不包含在标准模型之中。

标准模型包含了十二种“味道”的费米子。组成大部份物质的三种粒子：质子、中子及电子，其中只有电子是这套理论的基本粒子。质子和中子只是由更基本的夸克受强作用力吸引而组成。

标准模型的基本费米子：

标准模型中的费米子都是左旋的，费米子可以分为三个“世代”。第一代包括电子、上下夸克及电子中微子。所有普通物质都是由这一代的粒子组成；第二及第三代粒子只能在宇宙射线或高能实验中制造出来，而且会在短时间内衰变成第一代粒子。把这些粒子排列成三代是因为每一代的四种粒子与另一代相对应的四种粒子的性质几乎一样，唯一的区别就是它们的质量。

例如，电子跟μ子的自旋皆为半整数而电荷同样是-1，但μ子的质量大约是电子的200倍。

电子与电子中微子以及在第二、三代中相对应的粒子被统称为轻子。夸克拥有一种叫“色”的量子性质，并且与强作用力耦合。强作用力不同于其他的作用力（弱力、电磁力、引力），会随距离增加变得越来越强。由于强作用力的色禁闭特性，夸克永远只会在色荷为零的组合中出现（如介子、重子），这些不同的组合被统称为“强子”。

目前实验中确认的强子有两种：由三颗夸克组成的费米子，即重子（如质子及中子）；以及由夸克－反夸克对所组成的玻色子，即介子（比如π介子）。而由五个夸克所组成的五夸克粒子，目前实验上的结果仍有争议。

第一代：左旋电子、左旋电子中微子、左旋正电子、左旋电子反中微子、左旋上夸克、左旋下夸克、左旋反上夸克、左旋反下夸克。

第二代：左旋μ子、左旋μ子中微子、左旋反μ子、左旋μ子反中微子、左旋魅夸克、左旋奇夸克、左旋反魅夸克、左旋反奇夸克。

第三代：左旋τ子、左旋τ子中微子、左旋反τ子、左旋τ子反中微子、左旋顶夸克、左旋底夸克、左旋反顶夸克、左旋反底夸克。

夸克36有种：其中包括夸克、夸克有六味、每味三色、再加上各自对应的反粒子、总共36种不同状态的夸克。

轻子12有种：电子e、μ子、τ子以及各自的中微子共六种它们的反粒子六种。

强子有两种：由三颗夸克组成的费米子，即重子（如质子及中子），以及由夸克－反夸克对所组成的玻色子，即介子（如π介子）。

在W玻色子、Z玻色子、胶子、顶夸克及魅夸克未被发现前，标准模型已经预测到它们的存在，而且对它们的性质进行了精确的预测，加上欧洲大型对撞机发现最后一个没有发现的而且非常重要的疑似粒子——希格斯粒子，所以标准模型受到更多的重视。

粒子物理学的标准模型是一套描述强力、弱力及电磁力，这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。它隶属量子场论的范畴，并与量子力学及狭义相对论兼容。到现在为止，几乎所有对以上三种力的实验结果都合乎这套理论的预测。但是标准模型还不是一套万有理论，主要是因为它没有描述到引力。

首个与标准模型不相符的实验是有关中微子振**的结果，显示中微子拥有非零质量。标准模型的简单修正（如非零质量的中微子）可以解释这个实验结果。这个新的模型仍叫做标准模型。

标准模型理论以外的理论性粒子

实验已经证明了标准模型的精确性，但是科学家为了解释某些现有理论无法解释的物理现象，包括弦理论在内的研究者认为宇宙中可能存在超对称粒子。它们质量非常大（相对一般粒子，如质子而言），加速器还无法制造它们。但是因为量子涨落的存在，它们可能在极短的时间内和非常小的概率下与我们可见的粒子发生相互作用，因此它们还是可以被间接地探测到。目前每种标准模型粒子都被认为存在对应的超对称粒子。并且被用来解释某些物理现象。例如夸克的超对称粒子用来解释正反粒子数目的不对称，以及中微子的超对称粒子用来解释——为什么中微子的质量如此之小。

超对称粒子：轴子、伴胶子、伴引力子、伴希格斯玻色子、中性微子、标量费米子、标量轻子、标量夸克。

其它：引力子、希格斯玻色子、迅子、磁单极子。

假想的合成粒子：人们想象的实验暂时没发现或者根本不存在的粒子，比如暗物质，某些速度永远大于光速的速子，以及磁单极子或加速子等。

假想的粒子：奇异强子、奇异重子、五夸克态、奇异介子、胶球—四夸克态。

其它：介子、分子。

准粒子：声子、激子、电浆子、电磁极化子、极子、磁振子。

中微子质量之谜

中微子又译作微中子，是组成自然界的最基本的粒子之一，常用符号ν表示。中微子不带电，自旋为12，质量非常轻（小于电子的百万分之一），以接近光速运动。

中微子是不带电的基本粒子，似乎也没有质量，中微子只参与非常微弱的弱相互作用，具有最强的穿透力。能毫不费力地穿到地球、恒星内部等，每天有数以千万亿的中微子穿过我们的身体。在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应，因此中微子的检测非常困难。正因为如此，在所有的基本粒子中，人们对中微子的了解最晚，也最少。实际上，大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生，例如，核反应堆发电（核裂变）、太阳发光（核聚变）、天然放射性（贝塔衰变）、超新星爆发、宇宙射线等。宇宙中充斥着大量的中微子，大部分为宇宙大爆炸的残留，大约为每立方厘米100个。

由于宇宙中中微子的数量极其巨大，如果中微子有质量，其总质量也会非常惊人，那么物理大统一理论模型（一种试图把粒子间四种基本作用中的三种统一起来的理论）就需要重建。因为在现有的量子物理构架中，科学家是在用假设没有质量的中微子来解释粒子的电弱作用。