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基本粒子是沒有可測量的內在結構的粒子,就是說,它不是其他粒子的複合。它們是量子場論的基本物質。基本粒子可以根據它們的自旋分類,費米子有半整數自旋而玻色子有整數自旋。

基本粒子基本粒子

所謂基本粒子就是構成物質的最基本的單元。根據作用力的不同,粒子分為強子、輕子和傳播子三大類。基本粒子要比原子、分子小得多,現有最高倍的電子顯微鏡也不能觀察到。質子、中子的大小,只有原子的十萬分之一。而輕子和夸克的尺寸更小,還不到質子、中子的萬分之一。

基本粒子基本粒子一

 

 


1 基本粒子 -基本簡


基本粒子基本粒子
名稱:基本粒子


英語名稱:elementaryparticle

在歷史上,基本粒子指構成物質的最基本的單元。但在夸克理論提出后,人們認識到基本粒子也有複雜的結構,故現在一般不提「基本粒子」這一說法。根據作用力的不同,粒子分為強子、輕子和傳播子三大類。強子就是是所有參與強力作用的粒子的總稱。它們由夸克組成,已發現的夸克有五種,它們是:上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克和底夸克。理論預言還有第六種夸克存在,已命名為頂夸克,但目前尚未發現。現有粒子中絕大部分是強子,質子、中子、π介子等都屬於強子。(另外還發現反物質,有著名的反夸克,正在研究中,如若反物質假說成立,應該還存在另外的反粒子,甚至可能有反地球,反宇宙)

輕子就是只參與弱力、電磁力和引力作用,而不參與強相互作用的粒子的總稱。輕子共有六種,包括電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。電子、μ子和τ子是帶電的,所有的中微子都不帶電;τ子是1975年發現的重要粒子,不參與強作用,屬於輕子,但是它的質量很重,是電子的3600倍,質子的1.8倍,因此又叫重輕子。傳播子也屬於基本粒子。傳遞強作用的膠子共有8種,1979年在三噴注現象中被間接發現,它們可以組成膠子球,但至今尚未被直接觀測到。傳遞弱作用的W+,W-和Z0。中間玻色子是1983年發現的,非常重,是質子的80一90倍。圖片編輯: 張嘉年

基本粒子傳遞強作用的膠子共有8種



基本粒子基本粒子二

 

基本粒子基本粒子三

 

2 基本粒子 -主要特徵

基本粒子基本粒子
基本粒子要比原子、分子小得多,現有最高倍的電子顯微鏡也不能觀察到。質子、中子的大小,只有原子的十萬分之一。而輕子和夸克的

說尺寸更小,還不到質子、中子的萬分之一。粒子的質量是粒子的另外一個主要特徵量。按照粒子物理的規範理論,所有規範粒子的質量為零,而規範不變性以某種方式被破壞了,使夸克、帶電輕子、中間玻色子獲得質量。現有的粒子質量範圍很大。光子、膠子是無質量的,電子質量很小,π介子質量為電子質量的280倍;質子、中子都很重,接近電子質量的2000倍,已知最重的粒子是頂夸克。己發現的六種夸克,從下夸克到頂夸克,質量從輕到重。中微子的質量非常小,目前己測得的電子中微子的質量為電子質量的七萬分之一,已非常接近零。

粒子的壽命是粒子的第三個主要特徵量。電子、質子、中微子是穩定的,稱為"長壽命"粒子;而其他絕大多數的粒子是不穩定的,即可以衰變。一個自由的中子會衰變成一個質子、一個電子和一個中微子;一個π介子衰變成一個μ子和一個中微子。粒子的壽命以強度衰減到一半的時間來定義。質子是最穩定

 

 的粒子,實驗已測得的質子壽命大於10的33次方年。粒子具有對稱性,有一個粒子,必存在一個反粒子。1932年科學家發現了一個與電子質量相同但帶一個正電荷的粒子,稱為正電子;後來又發現了一個帶負電、質量與質子完全相同的粒子,稱為反質子;隨後各種反夸克和反輕子也相繼被發現。一對正、反粒子相碰可以湮滅,變成攜帶能量的光子,即粒子質量轉變為能量;反之,兩個高能粒子碰撞時有可能產生一對新的正、反粒子,即能量也可以轉變成具有質量的粒子。

粒子還有另一種屬性—自旋。自旋為半整數的粒子稱為費米子,為整數的稱為玻色子。物質是不斷運動和變化的,在變化中也有些東西不變,即守恆。粒子的產生和衰變過程就要遵循能量守恆定律。此外還有其他的守恆定律,例如輕子數和夸克數守恆,這是基於實驗上觀察不到單個輕子和夸克的產生和湮滅,必須是粒子、反粒子成對地產生和湮滅而總結出來的。微觀世界的粒子具有雙重屬性粒子性和波動性。描述粒子的粒子性和波動性的雙重屬性,以及粒子的產生和消滅過程的基本理論是量子場論。量子場論和規範理論十分成功地描述了粒子及其相互作用。圖片編輯: 張嘉年

基本粒子基本粒子五

基本粒子基本粒子四

3 基本粒子 -基本結構

基本粒子基本粒子
1933年,狄拉克關於正電子存在的預言被證實,1936年安德森因此獲得諾貝爾物理學獎。1955年塞格雷和錢伯林利用高能加速器發現了反質子,他們因此獲1959年物理獎。第二年又有人發現了反質子。1959年王淦昌等人發現了反西格瑪負超子。這些都為反物質的存在提供了證據。萊因斯等利用大型反應堆,經過3年的努力,終於在1956年直接探測到鈾裂變過程中所產生的反中微子。他因此獲1995年物理學獎。到1968年,人們才探測到了來自太陽的中微子。1947年鮑威爾利用自己發明的照相乳膠技術在宇宙線中找到了1934年湯川秀樹提出的介子場理論中預言的介子。湯川秀樹獲1949年物理獎,鮑威爾獲1950年物理獎。到50年代末,基本粒子的數目已達30種。這些粒子絕大多數是從宇宙射線中發現的。自1951年費米首次發現共振態粒子以來,至80年代已發現的共振態粒子達300多種。

所有的基本粒子都是共振態,共振態的發現其實已經揭開了基本粒子的秘密,即所有的基本粒子都是共振態.共振態分二類,一類是不穩定的,如強子類;另一類是穩定的,如電子.中子等.它門不容易發生自發衰變.不存在絕對穩定的基本粒子,如電子在一定的條件下也會堙滅(與正電子相遇時)。產生基本粒子的外因是物質波的交匯,交匯處形成波包.內因是交匯處發生了共振,客觀表現為共振態--即基本粒子的產生.

4 基本粒子 -夸克模型

基本粒子基本粒子
基本粒子如此之多,難道它們真的都是最基本、不可分的嗎?近40年來大量實驗實事表明至少強子是有內部結構的。1964年蓋爾曼提出了夸克模型,認為介子是由夸克和反夸克所組成,重子是由三個夸克組成。他因此獲1969年物理獎。1990年弗里德曼、肯德爾和泰勒因在粒子物理學夸克模型發展中的先驅性工作而獲物理獎。1965年,費曼、施溫格、朝永振一郎因在量子電動力學重整化和計算方法的貢獻,對基本粒子物理學產生深遠影響而獲物理獎。溫伯格和薩拉姆等以夸克模型為基礎,完成了描述電磁相互作用和弱相互作用的弱電統一理論。他們因此而獲1979年物理獎。目前統一場論的發展正向著把強相互作用統一起來的大統一理論和把引力統一進來的超統一理論前進。並且這種有關小宇宙的理論與大宇宙研究的結合,正在推進著宇宙學的進展。

5 基本粒子 -基本粒子表

基本粒子基本粒子
基本粒子的概念也在隨著物理學的發展而不斷的變化著,人們的認識也在朝著揭示微觀世界的更深層次不斷地深入。從湯姆孫發現電子到1932年發現中子,人們認識到質子、中子、電子和光子可以稱為基本粒子。當時一度認為一切都已搞清楚:質子和中子構成一切原子核;原子核和電子則構造了自然界的一切原子和分子,而光子僅僅是構成光與電磁波的最小單元。然而好景不長,對物質結構的這樣一種「圓滿」的解釋並沒能持續多久,人們很快發覺當時所發現的基本粒子不能圓滿地解釋核力。

第一代

1935年著名的日本物理學家湯川秀樹(1907~1981年)大膽假設,很可能還有未曾發現的新粒子。湯川秀樹認為,就像電磁相互作用是通過交換光子而實現的那樣,核力是通過核子間交換一種介子而實現的。他還估算出了這種粒子的質量大約是電子質量的200倍。兩年之後,美國物理學家卡爾·戴維·安德孫(1905~年)在宇宙射線中發現了一種帶電粒子,它的質量是電子的200倍左右,被命名為「m(繆)介子」。理論預言的成功使人們倍感欣慰,但進一步的考察卻令人十分掃興。因為這種m介子根本不與核子相互作用,很明顯,它不可能是湯川秀樹所預言的粒子。

1947年,巴西物理學家塞色,M·G·拉帝斯等人利用核乳膠在宇宙射線中又發現了一種介子——p介子。p介子的性質完全符合湯川秀樹的預言,能夠解釋核力。實際上,「m介子」不是介子而是一種輕子,所以現在將m介子稱為「m子」。到1947年,人們認識的粒子已達14種之多。其中包括當時已發現的光子(g),正負電子(e±),正負m子(m±),三種p介子(p±,p0),質子(p)和中子(n)10種;另外4種就是1956年在實驗室中被發現的正反電子中微子、反質子和反中子。這14種粒子各有用武之地,其中質子、中子和電子構成一切穩定的物質;光子是電磁力的傳遞者,p介子傳遞核力,中微子在b衰變中扮演不可缺少的角色(b衰變是原子核自發地放射出電子或正電子,或者俘獲原子內電子軌道上的一個電子,而發生的轉變);而m子則在宇宙射線中出現。以上這些就構成了第一代粒子。

基本粒子基本粒子
第二代

穩定的秩序似乎並沒有維持多久,「完滿」的舊理論很快就被一系列新的疑問所衝破。在發現p介子的1947年,人們利用宇宙射線在雲室中拍下了兩張有V字形徑跡的照片,衰變產物是p±介子和質子(p)。這兩種徑跡不能用任何當時已發現的第一代粒子來解釋,於是人們很自然的想到,這一定是兩種未發現的粒子衰變所形成的。在之後的幾年裡,人們拍攝了十多萬張宇宙射線照片,終於發現了這兩種不帶電的新粒子。其中一個質量為電子質量的1000倍,現在被叫做「k0介子」;另一個約為電子質量的2200倍,現在稱為l粒子(讀「蘭布塔」)。我們稱它們為第二代粒子,這是因為它們有兩個明顯的特點:(1)產生快,衰變慢;(2)成對(協同)產生,單個衰變。這些特點用過去的理論是無法解釋的,所以又稱它們為「奇異粒子」。

為了對這些奇異粒子進行定量研究,光靠宇宙射線是不夠的。50年代初,一些大型加速器陸續建成,使人們有可能利用加速器所加速的粒子來轟擊原子核,以研究奇異粒子。到1964年人們又陸續發現了一批奇異粒子,使人們發現的粒子種類達到了33種。這些奇異粒子統稱為「第二代粒子」。

第三代

如果我們把已發現的30多種粒子按它們的穩定程度來分類,那麼其中有的粒子是穩定的,例如質子、電子等;有的粒子卻要自發地衰變成其它粒子,例如m±、p±、π0、k0、λ0……等。它們衰變的時間一般在10-20~10-16秒或大於10-10秒,分別屬於電磁作用衰變和弱作用衰變。到了60年代,由於加速器的能量逐步提高和高能探測器的迅速發展,在實驗上也發現了衰變時間在10-24~10-23秒範圍的快衰變粒子,其衰變屬強作用衰變。這些粒子被稱為「共振態粒子」,也稱「第三代粒子」。由於它們的出現,使粒子種類猛增到上百。

6 基本粒子 -相關理論

基本粒子基本粒子
於基本粒子的結構、相互作用和運動轉化規律的理論。它的理論體系就是量子場論。按照量子場論的觀點,每一類型的粒子都由相應的量子場描述,粒子之間的相互作用就是這些量子場之間的耦合,而這種相互作用是由規範場量子傳遞的。

20世紀30年代以來,基本粒子理論在實驗的基礎上有了很大進展。在粒子結構方面,人們已經通過對稱性的研究深入到了一個層次,肯定了強子是由層子和反層子組成的,對真空特別是對真空自發破缺也有了新的認識。在相互作用方面,發展了可描述電磁相互作用的量子電動力學,發展了能統一描述弱相互作用和電磁相互作用的弱電統一理論,可用於描述強相互作用的量子色動力學。它們無一例外都是量子規範場理論,並且都在很大程度上與實驗一致,從而使人們對各種相互作用的規律性有了更深一層的了解。

基本粒子理論在本質上是一個發展中的理論,它在許多方面還不能令人滿意,其中有兩個具有哲學意義的理論問題尚待澄清,即:層次結構問題(見物質結構層次)和相互作用統一問題(見相互作用的統一理論)。在物質結構的原子層次上,可以把原子中的電子和原子核分割開來;在原子核層次上,也可以把組成原子核的質子和中子從原子核中分割出來。可是進入到"基本粒子"層次后,情況有了變化。這種變化在於強子雖然是由帶色的層子和反層子組成的,但卻不能把層子或反層子從強子中分割出來。這種現象被稱為"色"禁閉。於是,在基本粒子層次,物質可分的概念增添了新的內容。可分並不等於可分割,強子以層子和反層子作為組分,但卻不能從強子中分割出層子和反層子。色禁閉現象的原因至今還未能從理論上找到明確答案。80年代已知的層子、反層子已達36種,輕子、反輕子已達12種,再加上作為力的傳遞者的規範場粒子以及Higgs粒子,總數已很多,這就使人們去設想這些粒子的結構。物理學家們對此已經給出許多理論模型,但各模型之間差別很大,近期內還很難由實驗驗證和判斷究竟哪個模型正確。

Higgs粒子圖Higgs粒子圖

在弱電統一理論獲得成功之後,人們又探求強作用和弱作用、電磁作用三者之間的統一,提出了各種大統一模型理論。這種理論預言質子也會衰變,其壽命約為1032±2年。但還沒有得到實驗上的證實。在探索力的統一理論時不能不考慮引力。但引力和弱作用力、電磁作用力、強作用力有重要差別,因為它直接與空間、時間的測度有聯繫,它的傳遞者──引力子的自旋不同於其他三種作用力的傳遞者,它的耦合常數有量綱~(質量)-2,從而會出現無窮多種發散,不能重整化。如果再考慮到A.愛因斯坦所提出的引力方程的非線性性質,就更增加了引力理論量子化、重整化的困難。初步的探討認為,引力場也是一種規範場,這就意味著引力和其他三種基本力在邏輯上最終會統一起來。但從問題的深度上可以看到,有一些關鍵性的因素人們還沒有掌握。

基本粒子貭子衰變-模型圖二

基本粒子貭子衰變-模型圖一

 

 

 

7 基本粒子 -物理知識

基本粒子基本粒子
研究比原子核更深層次的微觀世界中物質的結構、性質,和在很高能量下這些物質相互轉化及其產生原因和規律的物理學分支。又稱高能物理學。其發展大致經歷3個階段。第一階段(1897~1937)可追溯到1897年發現第一個基本粒子電子。1932年J.查德威克在用a粒子轟擊核的實驗中發現了中子,隨即人們認識到原子核是由質子和中子構成的,從而形成所有物質都是由基本的結構單元——質子、中子、電子構成的統一的世界圖像。質子、中子、電子和A.愛因斯坦提出並被R.A.密立根和A.H.康普頓等人實驗證實的光子、W.泡利假設存在的中微子(1956年最終被實驗證實)以及P.A.M.狄拉克預言並被C.D.安德森1932年在宇宙線中觀察到的正電子都被認為是基本粒子或亞原子粒子。

在此階段,理論上建立了量子力學,這是微觀粒子運動普遍遵從的基本規律。在相對論量子力學的基礎上,通過場的量子化初步建立量子場論,很好地解決了場的粒子性和描述粒子的產生、湮沒等問題。隨著原子核物理的發展,發現在相當於原子核大小的範圍內除了引力相互作用電磁相互作用之外,還存在比電磁作用更強的強相互作用和介於電磁作用和引力作用之間的弱相互作用,前者是核子結合成核的核力,後者引起原子核的β衰變。對於核力的研究認識到核力是通過交換介子而產生的,並根據核力的電荷無關性建立起同位旋概念。

基本粒子基本粒子
第二階段(1937~1964)先後陸續發現了眾多的粒子。1937年從宇宙線中發現μ子,後來證實它不參與強作用,它和與之相伴的μ中微子同電子及與之相伴的電子中微子可歸入一類,統稱為輕子。1947年發現π±介子,1950年發現π0介子,1947年還發現奇異粒子。50年代粒子加速器和各種粒子探測器有了很大發展,從而開始了用加速器研究並大量發現基本粒子的新時期,各種粒子的反粒子被證實;發現了為數不少的壽命極短的共振態。基本粒子的大量發現,其中大部分是強子,人們懷疑這些基本粒子的基本性。人們嘗試將強子進行分類,提出頗為成功的強子分類的「八重法」。

這一階段理論上最重要的進展是重正化理論的建立和相互作用中對稱性的研究。關於描述電磁場量子化的量子電動力學,通過重正化方法消除了發散困難,對於電子和μ子反常磁矩以及蘭姆移位的理論計算與實驗結果精確符合。量子電動力學經受眾多實驗檢驗,成為描述電磁相互作用的成功的基本理論。對稱性與守恆定律聯繫在一起,關於相互作用中對稱性的研究,最為重要的結果是1956年李政道、楊振寧提出弱作用下宇稱不守恆,1957年被吳健雄等人的實驗及其他實驗證實,這些實驗同時也證實了在弱作用下電荷共軛宇稱不守恆。這些研究推動弱作用理論的進展。

第三階段(1964~)以提出強子結構的夸克模型為標誌。1964年M.蓋耳曼和G.茲韋克在強子分類八重法的基礎上分別提出強子由夸克構成,夸克共有上夸克u、下夸克d和奇異夸克s三種,它們的電荷、重子數為分數。夸克模型可以說明當時已發現的各種強子。夸克模型得到後來進行的高能電子、高能中微子對質子和中子的深度非彈性散射實驗的支持,實驗顯示出質子和中子內部存在點狀結構,這些點狀結構可以認為是夸克存在的證據。1974年發現J/ψ粒子,其獨特性質必須引入一種新的粲夸克c,1979年發現另外一種獨特的新粒子Υ,必須引入第5種夸克,稱為底夸克b。另一方面,1975年發現重輕子τ,並有跡象表明存在與τ相伴的τ中微子,於是輕子共有6種。迄今的實驗尚未發現輕子有內部結構。人們相信輕子是與夸克屬於同一層次的粒子。輕子與夸克的對稱性意味著存在第6種頂夸克t。1994年4月26日,美國費米國家實驗室宣布已找到頂夸克存在的證據。

基本粒子基本粒子
這一階段理論上最重要的進展是建立電弱統一理論和強相互作用研究的進展。1961年S.L.格拉肖提出電磁作用和弱作用的統一模型,其基礎是楊振寧和R.L.密耳斯於1954年提出的非阿貝耳規範理論。按照這一模型,光子是傳遞電磁作用的粒子,傳遞弱作用的粒子是W±和Z0粒子,但是W±、Z0是否具有靜質量,理論上如何重正化問題沒有解決。1967~1968年在對稱性自發破缺的基礎上,S.溫伯格、A.薩拉姆發展了格拉肖的電弱統一模型,建立了電弱統一的完善理論,闡明了規範場粒子W±、Z0是可以有靜質量的,理論預言它們的質量在80~100吉電子伏特(GeV),此外還預言存在弱中性流。1973年觀察到弱中性流,1983年發現W±、Z0粒子,其質量(mW≈80GeV,mZ≈90GeV)及特性同理論上期待的完全相符。關於強作用的研究,1973年G.霍夫特、D.J.格羅斯等人發展了量子色動力學理論。量子色動力學與量子電動力學一樣,也是一種定域規範理論。在這個理論中,夸克之間的強相互作用是由於夸克具有色荷交換色膠子而產生的,膠子沒有靜質量,但帶有色荷。強相互作用具有漸近自由的性質,即夸克之間的強相互作用並不是隨著它們的距離增大而減弱,而是相反;當它們相距很近而處於強子內部時,相互作用很弱,可近似地看成是自由的,從而能夠說明誇  克、膠子的禁閉性質、輕子對強子深度非彈性散射的異常現象以及噴注現象等。
基本粒子電弱統一理論-結構圖

在粒子物理學的深層次探索活動中,粒子加速器、探測手段、數據記錄和處理以及計算技術的應用不斷發展,既帶來粒子物理本身的進展,也促進整個科學技術的發展;粒子物理所取得的豐碩成果已經在宇宙演化的研究中起著重要的作用。

W及Z粒子圖W及Z粒子圖
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