标准模型的粒子数量以及划分方法.docx

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标准模型的粒子数量以及划分方法

导读：

自然界有四大基本作用力：

强力、弱力、电磁力，科学家知道它们的作用效果，但是如何从本质上去诠释它们呢？

这就需要粒子物理标准模型了，简单的说这个模型就是从本质上去诠释这四种相互作用力（引力目前除外）。

对于物质的基本组成大多数人了解的就是分子，再细一点就是原子或者是质子、中子。

而组成中子、质子一类的还有更基本的粒子，这些粒子也属于标准模型中的组成了。

62种基本粒子：

　　一、轻子（12种）{轻子主要参与弱作用，带电轻子也参与电磁作用，不参与强作用。

}

　　01、电子。

02、正电子（电子的反粒子）

　　03、μ子。

04、反μ子

　　05、τ子。

06、反τ子

　　07、电子中微子。

08、反电子中微子

　　09、μ子中微子。

10、反μ子中微子

　　11、τ子中微子。

12、反τ子中微子

　　二、夸克（Quark，层子、亏子）（6味×3色×正反粒子=36种）

　　13、红上夸克。

14、反红上夸克

　　15、绿上夸克。

16、反绿上夸克

　　17、蓝上夸克。

18、反蓝上夸克

　　19、红下夸克。

20、反红下夸克

　　21、绿下夸克。

22、反绿下夸克

　　23、蓝下夸克。

24、反蓝下夸克

　　25、红粲夸克。

26、反红粲夸克

　　27、绿粲夸克。

28、反绿粲夸克

　　29、蓝粲夸克。

30、反蓝粲夸克

　　31、红奇夸克。

32、反红奇夸克

　　33、绿奇夸克。

34、反绿奇夸克

　　35、蓝奇夸克。

36、反蓝奇夸克

　　37、红顶夸克。

38、反红顶夸克

　　39、绿顶夸克。

40、反绿顶夸克

　　41、蓝顶夸克。

42、反蓝顶夸克

　　43、红底夸克。

44、反红底夸克

　　45、绿底夸克。

46、反绿底夸克

　　47、蓝底夸克。

48、反蓝底夸克

　　三、规范玻色子（规范传播子）（14种）

　　49、引力型-中性胶子（Ⅰ型开弦）上夸克-上夸克

　　50、引力型-中性胶子（Ⅰ型开弦）反上夸克-反上夸克

　　51、磁力型-中性胶子（Ⅰ型闭弦）（反）下夸克-（反）下夸克

　　52、磁力型-中性胶子（Ⅰ型闭弦）夸克-反夸克

　　53、阳电力型胶子上夸克-下夸克

　　54、阴电力型胶子上夸克-下夸克

　　55、阳电力型胶子反上夸克-反下夸克

　　56、阴电力型胶子反上夸克-反下夸克

　　57、光子（光量子）

　　58、引力子（还是一个假设）

　　59、W+玻色子

　　60、W-玻色子

　　61、Z玻色子

　　62、希格斯玻色子HiggsBoson

但细心的朋友会发现，这61种粒子里面，不包含我们经常见到的粒子。

比如中子，质子，声子，引力子，空穴子等等。

为什么呢？

就是我们这一章要讲的。

比如说，我们经常听到“基本粒子”，那么什么是基本粒子？

基本粒子是指人们认知的构成物质的最小或最基本的单位。

即在不改变物质属性的前提下的最小体积物质。

它是组成各种各样物体的基础，且并不会因为小而断定它不是某种物质。

但在夸克理论提出后，人们认识到基本粒子也有复杂的结构，故一般不提“基本粒子”这一说法。

举一个例子，前面的章节我们提到过电子。

电子就是基本粒子。

但现在有研究认为电子可以再分，即再分为：

空穴子，轨道子，自旋子。

所以从这个角度讲，电子也不是基本粒子。

这就是基本粒子的说法，不再严谨了。

但还是会被经常用到，所以要了解。

根据作用力的不同，基本粒子分为夸克、轻子和传播子三大类。

在量子场论的理论框架下，这些基本粒子作为点粒子来处理。

粒子可以从不同角度去区别和研究：

大小：

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察到。

质子、中子的大小，只有原子的十万分之一。

而轻子和夸克的尺寸更小，还不到质子、中子的万分之一。

质量：

粒子的质量是粒子的另外一个主要特征量。

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、轻子、中间玻色子获得质量，即通过希格斯场，希格斯粒子获得质量。

现有的粒子质量范围很大。

光子、胶子是无质量的，引力子也被预言为无质量的。

电子质量很小，质量为9.10953×10-28克，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。

己发现的六种夸克，从下夸克到顶夸克，质量从轻到重。

中微子的质量非常小，己测得的电子中微子的质量为电子质量的七万分之一。

寿命：

粒子的寿命是粒子的第三个主要特征量。

电子、质子、中微子是稳定的，称为"长寿命"粒子；而其他绝大多数的粒子是不稳定的，即可以衰变。

一个自由的中子会衰变成一个质子、一个电子和一个中微子；一个π介子衰变成一个μ子和一个中微子。

粒子的寿命以强度衰减到一半的时间来定义。

衰变有3种：

α衰变、β衰变、γ衰变。

质子是最稳定的粒子，理论认为质子寿命大于10的33次方年。

各位，这个数字其实比目前理论的宇宙年龄都大。

所有的基本粒子都是共振态，共振态的发现其实已经揭开了基本粒子的秘密，即所有的基本粒子都是共振态．共振态分二类，一类是不稳定的，如强子类；另一类是稳定的，如电子，中子等，它门不容易发生自发衰变。

不存在绝对稳定的基本粒子，如电子在一定的条件下也会堙灭（与正电子相遇时）。

产生基本粒子的外因是物质波的交汇，交汇处形成波包．内因是交汇处发生了共振，客观表现为共振态－－即基本粒子的产生。

但随着人们对于粒子物理规律认识的深入，共振态的观念已经变化。

为避免不必要的含混，粒子物理学中把粒子分为两类：

稳定粒子和共振态。

凡是不能通过强相互作用衰变的粒子称为稳定粒子；凡是可通过强相互作用衰变的粒子称为共振态。

按这个理解，共振态一定是强子，可和稳定粒子中的强子属同一层次。

共振态和稳定粒子的区分在于衰变的相互作用机制不同，而不应简单地归于寿命的长短。

对称性：

粒子与粒子之间具有对称性。

有一种粒子，必存在一种反粒子。

1932年科学家发现了一个与电子质量相同但带一个正电荷的粒子，称为正电子；后来又发现了一个带负电、质量与质子完全相同的粒子，称为反质子；随后各种反夸克和反轻子也相继被发现。

一对正、反粒子相碰可以湮灭，变成携带能量的光子，即粒子质量转变为能量；反之，两个高能粒子碰撞时有可能产生一对新的正、反粒子，即能量也可以转变成具有质量的粒子。

1932年，狄拉克关于正电子存在的预言被证实，1936年安德森因此获得诺贝尔物理学奖。

1955年塞格雷和钱伯林利用高能加速器发现了反质子，他们因此获1959年物理奖。

第二年又有人发现了反质子。

1959年王淦昌等人发现了反西格玛负超子。

这些都为反物质的存在提供了证据。

莱因斯等利用大型反应堆，经过3年的努力，终于在1956年直接探测到铀裂变过程中所产生的反中微子。

他因此获1995年物理学奖。

总之每一种粒子，都有它的反粒子。

自旋：

粒子还有另一种属性—自旋。

自旋为半整数的粒子称为费米子，为整数的称为玻色子。

首先对基本粒子提出自转与相应角动量概念的是1925年由RalphKronig、GeorgeUhlenbeck与SamuelGoudsmit三人所为。

然而尔后在量子力学中，透过理论以及实验验证发现基本粒子可视为是不可分割的点粒子，是故物体自转无法直接套用到自旋角动量上来，因此仅能将自旋视为一种内在性质，为粒子与生俱来带有的一种角动量，并且其量值是量子化的，无法被改变（但自旋角动量的指向可以透过操作来改变）。

双重属性：

微观世界的粒子具有双重属性粒子性和波动性。

描述粒子的粒子性和波动性的双重属性，以及粒子的产生和消灭过程的基本理论是量子场论。

量子场论和规范理论十分成功地描述了粒子及其相互作用。

所以来说说他们的种类：

强子：

强子就是所有参与强力作用的粒子的总称。

它们由夸克组成，已发现的夸克有六种，它们是：

顶夸克、上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克和底夸克。

其中理论预言顶夸克的存在，2007年1月30日发现于美国费米实验室。

现有粒子中绝大部分是强子，质子、中子、π介子等都属于强子。

另外还发现反物质，有著名的反夸克，现已被发现且正在研究其利用方法。

奇怪的是夸克中有些竟然比质子还重，这一问题还有待研究。

轻子：

轻子就是只参与弱力、电磁力和引力作用，而不参与强相互作用的粒子的总称。

与玻色子和夸克不同。

所有已知带电轻子都可带有一正电荷或一负电荷，似乎他们是粒子还是反粒子。

所有中微子和它们的反粒子都是电中性的。

轻子共有六种，包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。

电子、μ子（渺子）、τ子（陶子，重轻子）三种带一个单位负电荷的粒子，分别以e-、μ-、τ-表示，以及它们分别对应的电子中微子、μ子中微子、τ子中微子三种不带电的中微子，分别以ve、νμ、ντ表示。

加上以上六种粒子各自的反粒子，共计12种轻子。

（所有的中微子都不带电，且所有的中微子都存在反粒子）。

τ子是1975年发现的重要粒子，不参与强作用，属于轻子，但是它的质量很重，是电子的3600倍，质子的1.8倍，因此又叫重轻子。

传播子：

传播子也属于基本粒子。

传递强作用的胶子共有8种，1979年在三喷注现象中被间接发现，它们可以组成胶子球，由于色禁闭现象，至今无法直接观测到。

光子传递电磁相互作用，而传递弱作用的W+，W-和Z0，胶子则传递强相互作用。

重矢量玻色子是1983年发现的，非常重，是质子的80一90倍。

费米子：

基本费米子分为2类。

夸克和轻子

实验显示共存在6种夸克（quark），和他们各自的反粒子。

这6种夸克又可分为3“代”。

他们是

第一代：

u（上夸克）d（下夸克）

第二代：

s（奇异夸克）c（粲夸克）

第三代：

b（底夸克）t（顶夸克）

另外值得指出的是，他们之所以未能被早期的科学家发现，原因是夸克决不会单独存在（顶夸克例外，但是顶夸克太重了而衰变又太快，早期的实验无法制造）。

他们总是成对的构成介子，或者3个一起构成质子和中子这一类的重子。

这种现象称为夸克禁闭理论。

这就是为什么早期科学家误以为介子和重子是基本粒子。

轻子，共存在6种轻子（lepton）和他们各自的反粒子。

其中3种是电子和与它性质相似的μ子和τ子。

而这三种各有一个相伴的中微子。

他们也可以分为三代：

第一代：

e（电子）（电中微子）

第二代：

（μ子）（μ中微子）

第三代：

（τ子）（τ中微子）

摘自

玻色子（英语：

boson）是依随玻色-爱因斯坦统计，自旋为整数的粒子。

这是一类在粒子之间起媒介作用、传递相互作用的粒子。

之所以它们称为“规范玻色子”，是因为它们与基本粒子的理论杨-米尔斯规范场理论有很密切的关系。

自然界一共存在四种相互作用，因此也可以把规范玻色子分成四类。

引力相互作用：

引力子（graviton）

电磁相互作用：

光子（photon）

弱相互作用（使原子衰变的相互作用）：

W及Z玻色子，共有3种。

强相互作用（夸克之间的相互作用）：

胶子（gluon）。

所以光子和胶子也被称为媒介子。

倘若发现引力子，也会被归为媒介子。

粒子物理学已经证明电磁相互作用和弱相互作用来源于宇宙早期能量极高时的同一种相互作用，称为“弱电相互作用”。

有很多粒子物理学家猜想在更早期宇宙更高能量（普朗克尺度）时很可能这四种相互作用全都是统一的，这种理论称为“大统一理论”。

但是因为加速器能够达到的能量相对普朗克尺度仍然非常的低，所以很难验证而大统一理论主要的发展方向是超弦理论。

胶子是强相互作用的媒介子，带有色与反色并由于色紧闭而从未被探测器观察到过。

不过，像单个的夸克一样，它们产生强子喷注。

在高能态环境下电子与正电子的湮没有时产生三个喷注：

一个夸克，一个反夸克和一个胶子是最先证明胶子存在的证据希格斯粒子。

希格斯粒子（Higgs）粒子物理学家们认为希格斯粒子与其他粒子的相互作用使其他粒子具有质量。

相互作用越强质量就越大。

希格斯粒子本身质量极大，但加速器能量还无法达到，而理论的计算也比较困难。

物理学家们于2012年7月发现了希格斯粒子。

标准模型预言存在一种中性希格斯粒子：

H。

但是也有很多科学家提出其他的可能性。

基本粒子的结构、相互作用和运动转化规律的理论，它的理论体系就是量子场论。

按照量子场论的观点，每一类型的粒子都由相应的量子场描述，粒子之间的相互作用就是这些量子场之间的耦合，而这种相互作用是由规范场量子传递的。

20世纪30年代以来，基本粒子理论在实验的基础上有了很大进展。

在粒子结构方面，人们已经通过对称性的研究深入到了一个层次，肯定了强子是由层子和反层子组成的，对真空特别是对真空自发破缺也有了新的认识。

在相互作用方面，发展了可描述电磁相互作用的量子电动力学，发展了能统一描述弱相互作用和电磁相互作用的弱电统一理论，可用于描述强相互作用的量子色动力学。

它们无一例外都是量子规范场理论，并且都在很大程度上与实验一致，从而使人们对各种相互作用的规律性有了更深一层的了解。

基本粒子理论在本质上是一个发展中的理论，它在许多方面还不能令人满意。

其中有两个具有哲学意义的理论问题尚待澄清，即：

层次结构问题（见物质结构层次）和相互作用统一问题（见相互作用的统一理论）。

在物质结构的原子层次上，可以把原子中的电子和原子核分割开来；在原子核层次上，也可以把组成原子核的质子和中子从原子核中分割出来。

可是进入到"基本粒子"层次后，情况有了变化。

这种变化在于强子虽然是由带"色"的层子和反层子组成的，但却不能把层子或反层子从强子中分割出来。

这种现象被称为"色"禁闭。

于是，在"基本粒子"层次，物质可分的概念增添了新的内容。

可分并不等于可分割，强子以层子和反层子作为组分，但却不能从强子中分割出层子和反层子。

"色"禁闭现象的原因至今还未能从理论上找到明确答案。

80年代已知的层子、反层子已达36种，轻子、反轻子已达12种，再加上作为力的传递者的规范场粒子以及Higgs粒子，总数已很多，这就使人们去设想这些粒子的结构。

物理学家们对此已经给出许多理论模型，但各模型之间差别很大，还很难由实验验证和判断究竟哪个模型正确。

基本粒子的概念也在随着物理学的发展而不断的变化着，人们的认识也在朝着揭示微观世界的更深层次不断地深入。

摘自独立学者，科普作家，艺术家灵遁者书籍《见微知著》