千年以來，人類一直思索著兩個最基本的問題：
世界是由什麼構成的？
又是什麼把物質緊緊地束縛在一起？
我們之所以不斷地在思考著兩個問題，是因為答案不僅跟我們息息相關（可閱讀今天的第二篇推文《關於你的粒子物理學》），也是理解塑造宇宙背後的定律的關鍵。
粒子物理學正是這樣一門學科，它研究的是構成萬物的基本粒子，以及這些粒子之間是如何相互作用的。在科學史上，粒子物理學的研究涉及了最大、最複雜、最精密的實驗。從實際應用的角度來看，粒子物理學也被應用在了方方面面——從固體物理到醫學診斷再到分布式計算。
△ 粒子物理學不僅改變了我們對宇宙的認識，同時它也在其它科學領域、教育、生活質量上都做出了重大的貢獻。（圖片來源：Sandbox Studio, Chicago）
現在，我們通過下面的十個問題，來一場粒子物理學的探索之旅吧！
1. 剛才提到了基本粒子，這邊的「基本」有什麼特別含義嗎？
當我們說「基本粒子」的時候是指不能再由更小的粒子構成的粒子。而基本粒子又分為兩類：費米子（Fermion）和玻色子（Boson）。
在日常生活中，我們看見的所有東西，包括我們自己，都是由原子組成的。兩千多年前，德謨克利特就提出物質是由不可分割的原子組成的。但是直到1897年，湯姆遜發現了電子後，才提出了第一個現代原子模型。
△ 圖1：湯姆遜原子模型：呈圓球狀的原子，充斥著正電荷，而帶負電荷的電子則像一粒粒葡萄乾鑲嵌其中。（圖片來源：Benjamin）
不久後，實驗家試圖「窺視」原子的內部結構，並驚奇的發現，原子其實是由極小但是密度較高帶正電的原子核和圍繞著原子核帶負電的電子組成的。
很快，物理學家又發現原子核是由帶正電的質子和不帶電的中子組成的。然而，這並沒有阻止物理學家繼續探索更基本的可能性，結果就是他們發現質子和中子其實都是由更小的夸克組成的！
△ 原子的結構：中間的原子核由質子和中子組成，而質子和中子則由更小的夸克構成，圍繞著原子核的是電子。（圖片來源：CERN）
就目前所知，夸克和輕子（如電子）是最基本的。所有的夸克和輕子都屬於基本費米子。所有的粒子都具有自旋（粒子具有的內稟性質，相關但不等同於經典力學的角動量）的性質，費米子的自旋為半整數（1/2、3/2...)，而且都遵守費米-狄拉克統計（在統計力學中用來描述由大量滿足泡利不相容原理的費米子組成的系統中，粒子處在不同量子態上的統計規律）。
△ 費米子：左邊是三代夸克上(u)、下(d)、粲(c)、奇(s)、底(t)及頂(b)；右邊是三代輕子：電子(e)、μ介子和τ介子，以及它們相應的中微子(ν)。（圖片來源： Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova）
另一方面，所謂的玻色子，是自旋為整數（0、1、2..)的粒子，並且遵守玻色-愛因斯坦統計（與費米子不一樣，玻色子在某一個能級下，可以容納無限個粒子，因而是符合玻色-愛因斯坦統計分布的粒子）。玻色子包括：光子、W玻色子、Z玻色子、膠子、希格斯玻色子（後面會提到）。這些粒子被稱為載力粒子，它們是傳遞基本力的媒介粒子。每一種玻色子都跟四種基本力的一種有關，比如電磁力是由光子傳遞的。
△ 圖中顯示的玻色子有：膠子(g)、希格斯玻色子(H)、W玻色子和光子(γ)。（圖片來源： Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova）
簡單的說，這些載力粒子就是兩個粒子之間的信使。基本力就是通過載力粒子的交換而產生的，這已經得到了實驗數據大力的支持。
△ 基本力的產生是通過載力粒子交換而產生的。（圖片來源：Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova）
這些基本粒子都是非常非常小的，有多小？如果有興趣建議閱讀：《基本粒子有多少？》。
2. 上面提到了基本力，能不能多解釋一點？有時看到文章說基本力，有時又看到說基本相互作用，這兩則之間有區別嗎？
物理學家經過過去一個世紀的努力，已經搞清楚了自然界中共有四個基本力，所有的力都可以被歸納為這四種基本力。例如，日常生活中我們熟悉的摩擦力、磁力、引力、原子核衰變等等都是由這四種基本力之一所引起的。
△ 四種基本力：引力（Gravity）、電磁力（Electromagnetism）、強核力（Strong）和弱核力（Weak）。（圖片來源：One Universe At a Time）
如果按強弱懸殊來排列著四種力的話，它們分別是強核力（將原子核束縛在一起），電磁力（導致指南針指向北方），弱核力（是它太陽才能夠為我們提供能量），以及引力（造成蘋果落在地上）。它們的媒介粒子分別是膠子、光子、W±/Z玻色子和假想的引力子。（可以進一步閱讀《一場基本力之間的較量》，從另一個角度回答哪個基本力最強。）
△ 大統一理論：三種基本力在高能下會統一在一起。（圖片來源：CERN）
物理學家的夙願是統一這四種基本力。在高能下，電磁力和弱核力的確已經被統一成電弱力。一些物理學家認為，在更高的能量下——遠遠超越了我們目前在實驗所能達到的能量——強核力、弱核力和電磁力會統一成一個「大統一」的力。這樣的一個理論被稱為「大統一理論」（GUT）。
有許多物理學家也經常隨意地使用「基本力」和「基本相互作用」。嚴格來說，力是因為一個粒子的存在影響了另一個粒子；而粒子的相互作用包括了全部影響它的力，也包括了粒子可能經歷的衰變和湮滅。因此「相互作用」的用法更加準確。通常你可以隨意使用兩者，但必須記住它們間的區別。
3. 物理學家用什麼工具來探索這些粒子？
為了探索這些粒子，我們面臨了兩個問題：
我們不能夠用光來探索這些粒子的結構，因為光的波長太長了。
如何產生那些物理學家想要研究的大質量的粒子？
為了解決這兩個問題，物理學家就需要粒子加速器。
物理學家無法用光來探索這些粒子的結構，因為光的波長太長了。為了看到最小的粒子，物理學家需要波長儘可能小的粒子。但是，在自然界中大多數的粒子都具有相當長的波長。物理學家如何把粒子的波長減少，使粒子可以成為探子呢？我們要記住一個事實：所有的粒子都具有波的性質，即所謂的波粒二象性。由於能量和頻率是正比的，能量和波長是反比的。因此當粒子在加速器中被加速到越高的能量時，波長足夠小到可以穿進原子內部。
△ 質能等價：E代表能量，m代表質量，c代表光速。
接著我們需要知道愛因斯坦的狹義相對論。該理論最深刻的洞見就是發現了質量和能量之間可以相互轉換，物體的運動速度越接近光速，它的質量就變的越大。結果就是，在加速器中的粒子被加速到越接近光速，它們獲得的能量就越高。如此就可以創造出很多不穩定的大質量粒子，進而研究它們的性質。
4. 目前世界上最大的粒子加速器是哪個？在加速器中要怎麼探測各種各樣的粒子？
歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）是世界上最強大的粒子加速器。它將兩束質子加速至非常高的能量，繞著周長27公裡的環形軌道不斷加速，並將它們進行對撞。對撞並不是發生在任意的地方，而是固定的對撞點，它們被探測器包圍著。
△ 大型強子對撞機LHC。（圖片來源：Wikipedia）
最出名、最大的兩個粒子探測器是ATLAS和CMS。除了這兩個，還有LHCb、ALICE、TOTEM、MoEAL和LHCF。它們都肩負著不同的使命在尋找、研究不同的粒子。
一個典型的現代探測器包括了四個主要部件：追蹤室（Tracking）、電磁熱量計（E-M Calorimeter）、重子熱量計（Hadron Calorimeter）和介子室（Muon Chambers）。每一個部件都負責探測不同的粒子，比如下圖：
△ ATLAS探測器。（圖片來源：ATLAS）
上圖中的虛線表示探測器探測不到的粒子，比如中微子（Neutrino），因為中微子基本不與粒子作用。我們只能由缺少的物質或能量來推論中微子的存在。
注意事項：
帶電粒子，比如電子（Electron）和質子（Proton），只能在追蹤室和電磁熱量計中被探測到。
在追蹤室中，我們無法探測到中性粒子，比如中子（Neutron）和光子（Photon）。只有當他們與探測器作用時，我們才能察覺到它們的存在。藉由電磁熱量計可以探測光子，而中子可由其在強子熱量計觀測到。
每一種粒子在探測器中都有其獨特的行為。比如，如果物理學家只有在電磁熱量計中才探測到某個粒子，那探測到的粒子一定是光子。
5. 還有其它類型的加速器嗎？
LHC是環形加速器，美國的相對論重離子對撞機（RHIC）也是另一個比較有名的。
△ 三種不同的粒子加速器：同步加速器，回旋加速器和直線加速器。（圖片來源： Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova）
但除了環形加速器，還有其它種類的加速器，比如直線加速器。中國、日本都有計劃建設下一代的加速器，詳情可閱讀《一場科學「對撞」背後的物理》。
6. 還有其它研究粒子的方法嗎？
當然，除了在加速器自己去創造粒子，還有許多的粒子來自外太空的天文現象，比如爆炸中的恆星或黑洞等等。例如，太陽除了輻射出光以外，還輻射了大量的中微子。世界上有許多大型的實驗都在捕捉中微子，但中微子跟物質的作用非常微弱，因此極難被探測到，對中微子的研究或許是通往「新物理」（見問10）的突破點。
△ 中國大亞灣核反應堆中微子實驗。該實驗團隊因探測到了中微子振蕩而獲得了2016年度國家自然科學獎。（圖片來源：Wikipedia）
關於如何探測中微子可進一步閱讀《在魔幻般的世界，尋找幽靈般的粒子》。
7. 我想知道描述這些粒子背後的理論是什麼樣的？
到目前為止，你看到的都是一些基本粒子，它們都很容易記住。這些基本粒子又可以組成許多的複合粒子，比如中子和質子以及上百種其它的粒子。
而描述這些粒子以及它們之間的相互作用的理論叫做粒子物理學的標準模型。通常提到標準模型，你會看到類似一張這樣的圖：
△ 標準模型：包含了六個夸克、六個輕子、以及玻色子。（圖片來源：CERN）
標準模型包含了三個群：SU(3)、SU(2)和U(1)。每個群都代表一個規範相互作用。強相互作用的規範群是SU(3)，而電弱作用的規範群是SU(2)×U(1)。所以標準模型也被稱為SU(3) × SU(2) × U(1)。而標準模型背後的數學公式看起來是這樣的：
△ 標準模型的拉格朗日量L等於這個方程..（圖片來源： T.D. Gutierrez）
如果想進一步了解該方程可閱讀《簡潔又美麗的標準模型方程》。
（註：很多人可能會對群論的概念會比較陌生，未來將在《萬有理論》系列文章中的《大統一理論》中詳細介紹。）
8. 2012年的時候，科學家在LHC找到了希格斯玻色子，究竟什麼是希格斯玻色子？玻色子意味著它是一種力嗎？
在1960年代，標準模型慢慢地被拼湊在一起，然而理論物理學家卻發現他們無法解釋為什麼基本粒子會有不同的質量。
1964年，三個不同小組（包括： Higgs, Brout, Englert, Guralnik, Hagen, 和 Kibble）分別提出一個解決方案，只要引進一個新的場就可以解決問題了。雖然是六個人一起發現的，但通常只被稱為希格斯場。而跟希格斯場相聯繫的粒子就是自旋為零的希格斯玻色子。下面我們通過三幅漫畫了解基本粒子是如何通過希格斯場獲得質量的：
（圖片來源：CERN）
一群物理學家聚在一個雞尾酒派對中，他們安靜的談話著，就好比空間充滿了希格斯場。
（圖片來源：CERN）
在某個時刻，愛因斯坦突然走進了派對之中，當他穿過人群的時候造成了小騷動，他的仰慕者紛紛向他靠攏。
（圖片來源：CERN）
在走進房間之前，愛因斯坦可以自由的移動。但是當他走進一個滿是物理學家的派對時，他的移動速度變慢了，仰慕者使他難以行動。換句話說，他獲得了質量。這就好比是無質量的粒子通過跟希格斯場作用而獲得質量。
另外，我們在前面的問題中提到了，每個玻色子都跟基本力有關係。那希格斯玻色子是否暗示著存在一種新的力？這是個很值得探討的問題。
一個場要產生一個力需要滿足三個條件：場必須可以開和關；它必須有一個偏好的方向；它也必須可以吸引或排斥。
通常希格斯場不滿足前兩個——它總是開的，沒有偏好的方向。但是由於希格斯玻色子的存在，場會被幹擾，理論上允許產生力。姑且稱之為希格斯力吧。
但是這個力在宇宙中扮演什麼樣的角色仍然還是個謎題。我們知道希格斯場對於產生穩定物質是必須的。但就目前所知，希格斯力並不一定。
希格斯力可能對於暗物質的存在，或物質與反物質不對稱非常重要。我們還不清楚細節，2012年首次發現希格斯玻色子僅僅只是個開始，因此目前LHC的主要目標之一就是發現更多希格斯玻色子，更加深入的研究它們的性質。
9. 粒子物理學的標準模型還有那些未回答的問題？
有很多，例如：
等等。
（註：有一些未解之謎已經或將會在《萬有理論》系列文章中詳細討論。）
10. 經常看到文章說「新物理」是指什麼？
「新物理」通常是指超越標準模型的理論，這些理論除了要複製標準模型的成功，還必須解釋標準模型不能回答的問題。這樣的理論有許多。其中一個最受推崇的是超對稱理論。超對稱除了能夠解釋許多問題（比如暗物質和等級問題），物理學家認為它能夠被LHC驗證（詳見《超對稱的崛起和衰落》）。
除了那些未被驗證的新理論，有一部分物理學家把希望寄予中微子的身上。在標準模型中，中微子是沒有質量的。然而，在實驗中我們發現中微子具有非常小的質量，這是目前發現的唯一有堅實實驗證據超出標準模型的現象。
作者的其它文章：
《十個問題，帶你認識量子力學》
《十個問題，帶你認識弦理論》
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