一種研究宇宙基本成分的新方法，徹底搞懂粒子物理學

經典的物理理論認為物質由基本粒子組成，它們之間僅以幾種不同的方式相互作用。在20世紀70年代，物理學家開發了一套描述這些粒子和相互作用的方程。這些方程共同形成了一個簡明的理論，現在被稱為粒子物理學的標準模型。

標準模型缺失了一些令人費解的部分（明顯缺失的是構成暗物質的假定粒子，那些表達引力的粒子，以及對中微子質量的解釋），但它給出了幾乎所有其他觀察到的現象的極其精確的圖像。

然而，標準模型仍然缺乏連貫的可視化。大多數嘗試都過於簡單，或者忽略了重要的相互聯繫，或者混亂不堪。

考慮最常見的可視化，它顯示了一個粒子周期表：

• 標準模型

這種方法並不能洞察粒子之間的關係。帶力粒子（即傳遞電磁力的光子），W和Z玻色子傳遞弱力，而傳遞強力的膠子與物質粒子——夸克、電子及其同類——處於相同的地位。此外，像「顏色」這樣的關鍵屬性被省略了。

2013年影片《粒子熱》（Particle Fever）的另一個表述是：

儘管這種可視化恰當地強調了希格斯玻色子的中心地位，希格斯玻色子被放在光子和膠子旁邊，儘管在現實中希格斯玻色子並不影響這些粒子。而圓的象限是有誤導性的——例如，這意味著光子只與它接觸的粒子偶聯，但事實並非如此。

一種新方法

伊利諾州費米國家加速器實驗室的粒子物理學家克裡斯·奎格數十年來一直在思考如何對標準模型進行可視化，希望更強大的可視化表示能夠幫助人們熟悉已知的自然粒子並促使他們思考關於這些粒子如何適合更大，更完整的理論框架。奎格的直觀表示方式展示了標準模型的更多基本順序和結構。他稱其方案為「雙單形」。

讓我們從頭開始構建雙單形。

夸克在底部

物質粒子主要有兩種，輕子和夸克。(請注意，對於自然界的每一種物質粒子，都存在一種反物質粒子，它具有相同的質量，但在其他方面都是相反的。正如其他標準模型可視化所做的那樣，我們省略了反物質，這會形成一個獨立的、反向的雙單形。）

讓我們從夸克開始，特別是組成原子核中的質子和中子的兩種類型的夸克。這兩種夸克是上夸克，電荷為單位的2/3；下夸克，電荷為- 1/3。

上下夸克可以是「左旋的」或「右旋的」，這取決於它們相對於運動方向是順時針旋轉還是逆時針旋轉。

弱變化

通過一種稱為弱力的相互作用，左旋的上下夸克可以相互轉換。當夸克交換一種叫做W玻色子的粒子時，就會發生這種變化。W玻色子是弱力的載體之一，帶有正負1的電荷。這些弱相互作用用橙色線表示：

奇怪的是，自然界中沒有右手的W玻色子。這意味著右旋的上下夸克不能發射或吸收W玻色子，所以它們不會相互轉換。

強烈的顏色

夸克還具有一種叫做顏色的電荷。一個夸克可以有紅色、綠色或藍色電荷。夸克的顏色使它對強力敏感。

這種強力將不同顏色的夸克結合在一起形成複合粒子，如質子和中子，它們是「無色的」，沒有淨色電荷。

夸克通過吸收或釋放膠子來從一種顏色轉換為另一種顏色，膠子是強力的載體。這些相互作用形成了三角形的邊。因為膠子本身具有色電荷，它們不斷地相互作用，就像與夸克相互作用一樣。膠子之間的相互作用填充了這個三角形。

現在我們來看輕子，另一種物質粒子。輕子有兩種：電子和中微子，前者的電荷為−1，後者為電中性。

與左旋上夸克和左旋下夸克一樣，左旋電子和中微子可以通過微弱的相互作用相互轉化。然而，在自然界中還沒有見過右旋中微子。

注意輕子不帶色電荷，也不通過強力相互作用；這是它們區別於夸克的主要特徵。

單形框架

把我們目前所做的放在一起，我們得到左手性的粒子在左邊，右手性的粒子在右邊。它們構成了奎格雙單形的基本框架。

三代夸克

現在，一個複雜的問題是：由於未知的原因，每種類型的物質粒子存在三種逐漸加重但在其他方面相同的版本。例如，除了上夸克和下夸克之外，還有粲夸克和奇夸克，還有更重的頂夸克和底夸克。輕子也是如此：除了電子和電子中微子，還有μ介子和μ中微子，還有τ子和τ中微子（請注意，中微子的質量雖小但未知）。它們構成了奎格雙單形的基本框架。

所有這些粒子都生活在雙單形的角落裡。值得注意的是，在不同代中，左旋夸克之間會發生少量的弱相互作用，例如，一個上夸克偶爾會吐出W+玻色子，變成一個奇夸克。不同代的輕子偶爾也會以這種方式相互作用。

力和電荷

粒子之間還有什麼其他的相互作用方式？我們已經提到過，許多物質粒子都是帶電的——事實上，除了中微子，所有的粒子都是帶電的。帶電的意思是這些粒子對電磁力很敏感。它們通過交換光子相互作用，光子是電磁力的載體。我們用波浪線來表示電磁相互作用，這些波浪線將帶電粒子彼此連接起來。請注意，這些相互作用不會使粒子相互轉化，在這種情況下，粒子只能感受到推或拉。

弱力比我們之前說的要複雜一點。除了W+和W -玻色子，還有一種弱力的中性載流子，叫做Z_0玻色子。粒子可以吸收或釋放Z_0玻色子而不改變其性質。與電磁相互作用一樣，這些「弱中性相互作用」只會導致能量和動量的損失或增加。弱中性相互作用在這裡用橙色波浪線表示。

弱中性相互作用與電磁相互作用相似，這並非巧合。弱力和電磁力都來自於一個單一的力，在宇宙的最初時刻存在，稱為電弱相互作用。

隨著宇宙冷卻，一個被稱為電弱對稱破缺的事件將這些力一分為二。這一事件的標誌是一個貫穿整個空間的場的突然出現，這個場被稱為希格斯場，它與一種叫做希格斯玻色子的粒子有關——這是我們謎題的最後一塊。

進入希格斯

希格斯玻色子是標準模型的關鍵，也是為什麼雙單形排列有意義的關鍵。當希格斯場在早期宇宙中出現時，它將左旋和右旋的粒子結合在一起，同時賦予這些粒子我們稱之為質量的性質。(請注意，中微子是有質量的，但它的起源仍然是神秘的，因為它源自某種機制，而不是希格斯玻色子。）

當一個粒子（如電子）在空間中移動時，它會不斷地與希格斯玻色子——希格斯場的激發態——相互作用。當一個左旋電子與一個希格斯玻色子碰撞時，電子可能會從它身上反彈到一個新的方向，變成右旋電子，然後再與另一個希格斯粒子碰撞，再次變成左旋電子，以此類推。這些相互作用降低了電子的速度，這就是我們所說的「質量」。

一般來說，粒子與希格斯玻色子相互作用越多，它的質量就越大。此外，與希格斯玻色子頻繁的相互作用使這些大質量粒子成為左旋和右旋的量子混合物。

這樣，我們就有了粒子物理學的標準模型。