引入
原子由原子核和电子组成,原子核由质子和中子组成,那质子和中子还能再分吗?
为什么“基本”粒子这个词要加引号?
四种基本相互作用各自负责什么?
粒子物理追问的是物质的最终层次。到目前,这个层次停在夸克和轻子,但“基本”可能只是暂时的标签。
正文
定义
基本粒子是目前认为不可再分的物质组成单元。这个“不可再分”是实验精度内的判断,不保证永远成立。
粒子的分类
| 类别 | 自旋 | 参与强相互作用 | 例子 |
|---|---|---|---|
| 夸克 | 是 | 上、下、粲、奇、顶、底 | |
| 轻子 | 否 | 电子、 子、 子、中微子 | |
| 规范玻色子 | 整数 | 部分 | 光子、胶子、/ 玻色子 |
| 希格斯玻色子 | 否 | 赋予其他粒子质量 |
夸克和轻子各分三代:
| 代 | 夸克 | 轻子 |
|---|---|---|
| 第一代 | 上 、下 | 电子 、电子中微子 |
| 第二代 | 粲 、奇 | 子、 中微子 |
| 第三代 | 顶 、底 | 子、 中微子 |
日常物质只由第一代组成,后两代只在高能实验和宇宙射线中出现,且迅速衰变。
夸克与质子、中子
| 粒子 | 夸克组成 | 电荷 |
|---|---|---|
| 质子 | ||
| 中子 |
夸克带分数电荷(、),但夸克禁闭使得它们不能单独存在,只能组合成色中性的强子。
| 类型 | 组成 | 例子 |
|---|---|---|
| 重子 | 三个夸克 | 质子、中子 |
| 介子 | 夸克-反夸克对 | 介子、 介子 |
四种基本相互作用
| 相互作用 | 强度(相对) | 作用范围 | 传递粒子 | 作用 |
|---|---|---|---|---|
| 强相互作用 | 胶子 | 束缚夸克和核子 | ||
| 电磁相互作用 | 无限远 | 光子 | 电荷间作用、化学键 | |
| 弱相互作用 | / 玻色子 | β 衰变、中微子作用 | ||
| 引力相互作用 | 无限远 | 引力子(未证实) | 天体尺度 |
强度比是数量级估算,具体取决于能量尺度。
为什么化学只涉及电磁力:原子核内部由强力束缚,核外电子与核、电子之间的作用都是电磁力。化学键、分子间作用力、光的吸收发射,全部是电磁相互作用。所以化学不需要考虑强力和弱力。
标准模型的成就与不足
标准模型成功描述了除引力外的三种相互作用,预言了 / 玻色子、顶夸克、希格斯玻色子,实验全部证实。
| 不足 | 说明 |
|---|---|
| 不含引力 | 引力无法纳入量子框架 |
| 不解释暗物质 | 标准模型中没有合适的候选粒子 |
| 不解释暗能量 | — |
| 中微子质量 | 原版标准模型假设中微子无质量,实验发现振荡,说明有质量 |
| 物质-反物质不对称 | 为什么宇宙中物质远多于反物质 |
探测方式
粒子太小,无法直接观察,只能通过碰撞产物推断:
| 方法 | 原理 |
|---|---|
| 加速器 | 用高能碰撞产生新粒子 |
| 探测器 | 记录轨迹、能量、动量 |
| 数据分析 | 从衰变产物反推母粒子 |
发现新粒子的标准是统计显著性达到 ,即偶然涨落的概率小于 。
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| “基本粒子就是最小的粒子” | 是当前精度下的判断 |
| “光子是基本粒子,所以没有结构” | 是标准模型的假设,仍在检验 |
| “质子是最基本的” | 由夸克组成 |
| “强力和弱力在化学中有作用” | 化学反应只涉及电磁力 |
引出
为什么夸克不能单独存在?色禁闭的机制是什么?
引力为什么难以量子化?
暗物质的候选粒子有哪些?为什么至今没有直接探测到?