粒子物理學基礎——淺析12種基本粒子

2020-12-04 天文同好樂園

粒子物理學作為一門基礎科學,其實與我們每個普通人都息息相關。但是,它的貌似高大上和它的晦澀難懂又讓無數人對它敬而遠之。作為非專業人士,我們不可能系統地學習粒子物理學,但通過階段性的知識積累,也能夠讓我們對整個粒子物理學有更多的理解。說粒子物理學與我們每個人都息息相關,那是因為作為地球生物的我們,都是由內在化學過程極其複雜的細胞分子構成的,而生物體的分子又都是由92種基本元素構成,這92中基本元素又由3個部分組成:質子、中子和電子。

儘管當代物理學家盡了最大的努力,但還是無法將電子拆分成更小的粒子。然而,藉助強大的粒子加速器,物理學家深入了質子和中子的內部,發現了名叫夸克的粒子。和電子一樣,人們也無法將夸克拆分成更小的粒子,所以目前科學家一致認為,電子和夸克就是宇宙中所有物質的最基本的組成單元。在粒子物理學標準模型中,列出了構成宇宙萬物的12種基本粒子,即三代6種夸克和三代6種輕子,另外還有載力子和與粒子質量有關的希格斯玻色子(載力子和玻色子文中暫不討論)。

要想合成一個質子,你需要2個上夸克(每個帶2/3單位的正電荷)和1個下夸克(帶1/3單位的負電荷),這樣就得到一個單位的正電荷;要想合成一個中子,你需要1個上夸克和2個下夸克,這樣中子的電荷數就為零。質子和中子都屬於重子,也就是由3個第一代夸克(上夸克和下夸克)組成的粒子。有了質子和中子,你就可以將它們合成原子核,然後加上電子就得到了原子,進而合成分子、細胞和人體。聰明的讀者可能會有一個疑問:既然夸克有6種,那麼一定會有很多種組合方式,為什麼質子和中子偏偏都是由第一代的2種夸克組成呢?

確切地說,要想解釋在粒子加速器裡看到的粒子所有的性質,僅憑上下夸克是遠遠不夠的,還需要另外4種夸克,即帶2/3單位正電荷的粲夸克和頂夸克,它們是第二代夸克;以及帶1/3單位負電荷的奇夸克和底夸克,它們是第三代夸克。6種夸克理論上會有56種不同的3夸克組合,但是,我們的宇宙構成物質僅採用了第一代的2種夸克,為什麼會這樣,至今仍然是宇宙學中的一個未解之謎。(其他夸克組合確實存在,比如3個上夸克組成Δ++粒子或3個下夸克組成Δ-粒子,但這些粒子極不穩定,約0.000000000000001秒就會衰變為普通粒子。)

介紹完夸克,再簡單說說其他6種輕子。電子屬於輕子,但電子也有質量更大的兄弟,即緲子和陶子,它們3個被統稱為輕子世代。每一個輕子又都有一個像幽靈般的質量為零的粒子相伴,這個粒子就是中微子。所以3個輕子分別又有對應的電子中微子、緲子中微子和陶子中微子,呈電中性的它們幾乎不與其他粒子相互作用,因此它們能夠悄無聲息地穿過任何物質而不被察覺。從構成宇宙物質92種基本元素的角度來說,這就是全部了,即6種夸克和6種輕子共12種基本粒子(當然,它們都有各自的反粒子),它們就是宇宙最基本的組成單元。

目前我們可以這樣認為,無論你看到的物質多麼複雜,都是由幾種基本粒子構成的,這些粒子就像樂高積木一樣以多種方式組合排列,通過少數幾種基本力結合在一起構成了整個宇宙,以及宇宙中的我們,甚至任何其他可能存在的生命形式。

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