基本粒子的定義與分類

1、基本粒子的定義與分類基本粒子的定義與分類（1）基本粒子的定義及其變化 基本粒子是指人們認(rèn)知的構(gòu)成物質(zhì)的最小、最基本的單位。 但是因?yàn)槲锢韺W(xué)的不斷發(fā)展，人類對物質(zhì)構(gòu)成的認(rèn)知逐漸深 入，因此基本粒子的定義隨時間也是有所變化的。目前在粒子物理學(xué)中，標(biāo)準(zhǔn)模型理論認(rèn)為的基本粒子可以分 為夸克（quark）、輕子（lepton）、規(guī)范玻色子（boson）和希 格斯粒子四大類。標(biāo)準(zhǔn)模型理論之外也有理論認(rèn)為可能存在 質(zhì)量非常大的超粒子。傳統(tǒng)上（ 20 世紀(jì)前、中期）的基本粒子是指質(zhì)子、中子、電 子、光子和各種介子，這是當(dāng)時人類所能探測的最小粒子。 而現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子、介子都是由更加基本的夸克 和膠子（

2、gluon）構(gòu)成。同時人類也發(fā)現(xiàn)了性質(zhì)和電子類似的 一系列輕子，還有性質(zhì)和光子、膠子類似的一系列規(guī)范玻色 子。這些是現(xiàn)代的物理學(xué)所理解的基本粒子。（ 2）基本粒子的分類 費(fèi)米子：基本費(fèi)米子分為兩類：夸克和輕子?？淇耍耗壳暗膶?shí)驗(yàn)顯示共存在 6 種夸克，其中包括它們各自 的反粒子。這 6 種夸克又可分為 3“代”。它們是：第一代：u （上夸克） d （下夸克）第二代：s （奇異夸克） c （魅夸克）第三代：b （底夸克）t （頂夸克）它們的質(zhì)量關(guān)系是 。另外值得指出的是，他們之所以未能 被早期的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，原因是夸克決不會單獨(dú)存在（頂夸克 例外，但是頂夸克太重了而衰變又太快，早期的實(shí)驗(yàn)無法制 造）

3、。他們總是成對的構(gòu)成介子，或者 3 個一起構(gòu)成質(zhì)子和 中子這一類的重子。這種現(xiàn)象稱為夸克禁閉理論。這就是為 什么早期科學(xué)家誤以為介子和重子是基本粒子。輕子：共存在 6 種輕子與它們各自的反粒子。其中 3 種是電 子和與它性質(zhì)相似的 子和 子。而這三種各有一個相伴的中 微子。他們也可以分為三代：第一代：e （電子）、（電中微子）第二代：（卩子）、（卩中微子）第三代：C子）（T中微子）玻色子： 玻色子是依隨玻色 -愛因斯坦統(tǒng)計， 自旋為整數(shù)的粒 子。規(guī)范玻色子，這是一類在粒子之間起媒介作用、傳遞相互作 用的粒子。之所以它們稱為“規(guī)范玻色子” ，是因?yàn)樗鼈兣c 基本粒子的理論楊 -米爾斯規(guī)范場理論有很

4、密切的關(guān)系。自然界一共存在四種相互作用，因此也可以把規(guī)范玻色子分 成四類。（1）引力相互作用：引力子（ graviton ）（ 2）電磁相互作用：光子（ photon） （3）弱相互作用（使原子衰變的相互作用） ： W 及 Z 玻色 子，共有 3 種：（4）強(qiáng)相互作用（夸克之間的相互作用） ：膠子（ gluon） 粒子物理學(xué)已經(jīng)證明電磁相互作用和弱相互作用來源于宇 宙早期能量極高時的同一種相互作用，稱為“弱電相互作 用”。有很多粒子物理學(xué)家猜想在更早期宇宙更高能量（普 朗克尺度）時很可能這四種相互作用全都是統(tǒng)一的，這種理 論稱為“大統(tǒng)一理論” 。但是目前因?yàn)榧铀倨髂軌蜻_(dá)到的能 量相對普朗克尺度

5、仍然非常的低，所以很難驗(yàn)證。而大統(tǒng)一 理論目前主要的發(fā)展方向是超弦理論。膠子 膠子是強(qiáng)相互作用的媒介子，帶有色與反色并由于色緊閉而 從未被探測器觀察到過。不過，像單個的夸克一樣，它們產(chǎn) 生強(qiáng)子噴注。在高能態(tài)環(huán)境下電子與正電子的湮沒有時產(chǎn)生 三個噴注：一個夸克，一個反夸克和一個膠子，這是最先證 明膠子存在的證據(jù)希格斯粒子希格斯粒子 （Higgs ）是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中唯一還沒有在加 速器上產(chǎn)生出來的粒子。粒子物理學(xué)家們認(rèn)為希格斯粒子與 其他粒子的相互作用使其他粒子具有質(zhì)量。相互作用越強(qiáng)質(zhì) 量就越大。希格斯粒子本身質(zhì)量極大，目前的加速器能量還 無法達(dá)到，而理論的計算也比較困難。物理學(xué)家們普遍希望

6、能夠在 2008 年將要開始運(yùn)行的大型強(qiáng)子對撞機(jī)上產(chǎn)生出希 格斯粒子。標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言存在 2 種希格斯粒子： 和 ，但是也有很多科 學(xué)家提出其他的可能性。歐洲核子研究中心 2012年7月 4日在瑞士日內(nèi)瓦和澳大利 亞墨爾本召開“高能物理跨洲視頻會議” ，歐洲核子研究中 心主管羅爾夫豪雅在會議上表示，他們發(fā)現(xiàn)了一種新的粒 子，而這種粒子很可能就是尋找多年的“上帝粒子”希 格斯玻色子。 “上帝粒子”將是人類認(rèn)識宇宙的一面最直接 的鏡子：因?yàn)槿绻鳛橘|(zhì)量之源的它確實(shí)存在，物理學(xué)家就 可能因此推測出宇宙大爆炸時的情景以及占宇宙質(zhì)量 96% 的包括暗能量的暗物質(zhì)的情況。 有關(guān)希格斯子的理論最早是在 196

7、4年由 6位物理學(xué)家共同 提出來的，其中就包括英國愛丁堡的彼得希格斯教授。他 們當(dāng)時提出這一粒子的目的就是為了解釋質(zhì)量的起源。理論 上，這一粒子的存在將正好補(bǔ)全描述整個宇宙如何運(yùn)行的物 理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的缺陷，因此它便顯得尤其重要。如果在 LHC 加速器中進(jìn)行的數(shù)以十億計的對撞實(shí)驗(yàn)中真的產(chǎn)生了希格斯玻色子，根據(jù)預(yù)測，它應(yīng)當(dāng)是不穩(wěn)定的，會迅速衰變?yōu)楦臃€(wěn)定，質(zhì)量更小的粒子。物理學(xué)家們需要對這些衰變產(chǎn)物進(jìn)行分析，并且通過分析來推斷這種被稱為“上 帝粒子”的神秘粒子是否存在?，F(xiàn)場最重量級的是四個物理學(xué)理論家，其中三個人完善了標(biāo) 準(zhǔn)模型理論，另一個人彼得希格斯則創(chuàng)建了這個理論，標(biāo) 準(zhǔn)模型中最后一個粒子以他命名。昨天臺下就座的希格斯流 下熱淚。由于希格斯玻色子是最后一種未被發(fā)現(xiàn)的基本粒子，對完善 粒子物理學(xué)理論“大廈”有重要意義。上帝粒子現(xiàn)身？“意 義堪比發(fā)現(xiàn)