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2018年9月23日 星期日

基本粒子(Elementary Particles)



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從古希臘時代的科學家便假想物質是由所謂無法分割的最小單位原子(atom)所組成,到了十九世紀初,英國科學家道耳吞(John Dalton)根據一些實驗的結果,提出了原子說。而在牛頓時代,科學界則對光到底是粒子還是波動存在爭議(光具有繞射干涉以及偏極化的波動特性,同時也帶有直線前進反射光電效應(十九世紀發現)與康普頓效應(二十世紀發現)的粒子特性 )。直到約十九世紀以前,原子的存在與否仍存在爭議,一些物理學家甚至認為物質是由能量所組成,而分子甚至不過是理論上的一種假想。直到1897年英國湯姆生(Joseph John Thomson)發現電子與1911年英國拉塞福(Ernest Rutherford)發現原子核,而後來發現原子核也是由質子和中子所構成。(1919年拉塞福再發現質子以及1932年英國查兌克(James Chadwick)發現中子。)1924年法國德布羅依(Louis Victor de Broglie)提出物質波的理論(電子的波動性質)1930年美藉奧地利人包利(Wolfgang Pauli),為了解釋β衰變過程中電子能量連續分佈的特性時提出了微中子。20世紀前、中期的基本粒子是指質子、中子、電子、光子和各種介子(1935年日本湯川秀樹提出「介子論」。)以及相對的反物質粒子,這是當時人類所能探測的最小粒子。隨著觀測宇宙射線與加速器實驗和量子場論的進展,發現質子、中子與介子是由更基本的夸克(1964年美國蓋爾曼(Murry Gell-mann)提出夸克模型。)和膠子所組成。同時人類也陸續發現了性質和電子類似的一系列輕子,還有性質和光子、膠子類似的一系列規範玻色子。這些是現代物理學所可以理解的基本粒子。
隨著近代物理學的不斷發展,人類對物質構成的認知逐漸深入,因此基本粒子的定義隨時間也有所變化。目前在標準模型理論的架構下,已知的基本粒子可以分為費米子(包含夸克和輕子,構成物質)以及玻色子(包含規範玻色子和希格斯粒子(1964 年英國希格斯(Peter Ware Higgs)發表希格斯機制理論。),作為基本力間的交互作用)。由兩個或更多基本粒子所組成的則稱作複合粒子。標準模型共61種基本粒子中,希格斯玻色子是最後一種被實驗證實的粒子。
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在粒子物理學裡,標準模型(Standard ModelSM)是描述強交互作用力、弱交互作用力及電磁力這三種基本力及組成宇宙所有物質基本粒子的理論,屬於量子場論的範疇,並與量子力學及狹義相對論相容。到目前為止,幾乎所有對以上三種力的實驗的結果都合乎這套理論的預測。但是標準模型還不是萬有理論(Theory of Everything),主要是因為還沒有描述重力,也無法解釋暗物質、暗能量、緲子質量以及物質與反物質的非對稱性(為何從無到有的宇宙產生的物質為何會比反物質多)。而更進一步的理論則是超弦理論(Superstring Theory)與M理論結合量子力學和廣義相對論為萬有理論。弦理論用一段段「能量弦線」作最基本單位以說明宇宙裡所有微觀粒子如電子、夸克、微中子都由這一維的「能量線」所組成;換而言之,弦論主張「弦」以不同的振動模式對應到自然界的各種基本粒子。
較早期所建立的基本粒子學說則是認為所有物質是由零維的點粒子所組成,也是目前廣為接受的物理模型,也很成功的解釋和預測相當多的物理現象和問題,但是此理論所根據的粒子模型卻遇到一些無法解釋的問題。比較起來,弦理論的基礎是波動模型,因此能夠避開前一種理論所遇到的問題。更深的弦理論學說不只是描述弦狀物體,還包含了點狀、薄膜狀物體,更高維度的空間,甚至平行宇宙。弦理論目前尚無法做出可以實驗驗證的準確預測。

費米子(Fermion)
基本費米子分為 2 類:夸克和輕子滿足費米-狄拉克分佈(Fermi-Dirac distribution),自旋為1/2奇數倍的粒子。
夸克
目前的實驗顯示共存在6種夸克(quark),和他們各自的反粒子,這6種夸克又可分為3代。
第一代:u(上夸克) d(下夸克)
第二代:s(奇夸克) c(魅夸克)
第三代:b(底夸克) t(頂夸克)
輕子
共存在6種輕子(lepton)和他們各自的反粒子。其中3種是電子和與它性質相似的緲子與濤子。而這三種各有一個相伴的微中子。輕子也有三代。
第一代:e-(電子) νe(電微中子)
第二代:μ-(緲子) νμ(緲微中子)
第三代:τ-(濤子) ντ(濤微中子)

玻色子(Boson)
玻色子是依隨玻色-愛因斯坦分佈(Bose-Einstein distribution),自旋為整數的粒子。
規範玻色子
這是一類在粒子之間起媒介作用、傳遞交互作用的粒子。它們之所以稱為規範玻色子,是因為它們與基本粒子的理論楊-米爾斯規範場理論有很密切的關係。
自然界一共存在四種交互作用力,因此也可以把規範玻色子分成四類。
重力:重力子(graviton)(假設的粒子尚未被發現)
電磁力:光子(photon)
弱交互作用力(使粒子衰變的交互作用)W+W- Z 玻色子
強交互作用力(夸克之間的交互作用):膠子(gluon) 
粒子物理學已經證明電磁交互作用和弱交互作用來源於宇宙早期能量極高時的同一種交互作用,稱為「電弱交互作用」。有很多粒子物理學家猜想在更早期宇宙更高能量(普朗克尺度)時很可能這四種交互作用力是統一的,這種理論稱為萬有理論。但是目前因為加速器能夠達到的能量相對普朗克尺度仍然相當低,所以很難驗證。而大一統理論目前主要的發展方向是超弦理論。
膠子
膠子是強交互作用的媒介子,帶有色與反色並由於色緊閉而從未被探測器觀察到過。不過,像單個的夸克一樣,它們產生強子噴注。在高能態環境下電子與正電子的對滅有時產生三個噴注:一個夸克,一個反夸克和一個膠子是最先證明膠子存在的證據。
希格斯粒子
希格斯玻色子是一種具有質量的玻色子,沒有自旋,不帶電荷,非常不穩定,在生成後會立刻衰變。在標準模型預言的61種基本粒子中,希格斯玻色子是最後一種被實驗證實的粒子。




基本粒子



種類 世代 反粒子 總計
夸克 2 3 成對 3 36
輕子 2 3 成對 無色 12
膠子 1 1 自身 8 8
W粒子 1 1 成對 無色 2
Z粒子 1 1 自身 無色 1
光子 1 1 自身 無色 1
希格斯粒子 1 1 自身 無色 1
總計 61

夸克
名稱 符號 質量(MeV/c2* J B Q I3 C S T B′ 反粒子 反粒子符號
第一代
u 1.7 to 3.3 1⁄2 +1⁄3 +2⁄3 +1⁄2 0 0 0 0 反上 u
d 4.1 to 5.8 1⁄2 +1⁄3 −1⁄3 −1⁄2 0 0 0 0 反下 d
第二代
c 1,270+70
−90
1⁄2 +1⁄3 +2⁄3 0 +1 0 0 0 反粲 c
s 101+29
−21
1⁄2 +1⁄3 −1⁄3 0 0 −1 0 0 反奇 s
第三代
t 172,000±900±1,300 1⁄2 +1⁄3 +2⁄3 0 0 0 +1 0 反頂 t
b 4,190+180
−60
1⁄2 +1⁄3 −1⁄3 0 0 0 0 −1 反底 b

J=總角動量、B=重子數、Q=電荷、I3=同位旋,C=魅數、S=奇異數、T=頂數及B′ =底數。

輕子
粒子/反粒子名字符號電荷(e)自旋Le質量(MeV)壽命()通常衰變
電子/正子e−/e+−1/+11⁄2+1/−1000.51099891穩定穩定
緲子/反緲子μ−/μ+−1/+11⁄20+1/−10105.65836682.197019×10−6e−+νe+νμ
濤子/反濤子τ−/τ+−1/+11⁄200+1/−11,776.842.906×10−13

電微中子/反電微中子νe/νe-01⁄2+1/−100<0.0000022未知

緲微中子/反緲微中子νμ/νμ-01⁄20+1/−10<0.17未知

濤微中子/反濤微中子ντ/ντ-01⁄200+1/−1<15.5未知


重子

名稱 記號 構成 靜止質量 (MeV) 平均壽命 (s) 發現年 發現者
質子 p+ uud 938.272046(21) 可能不穩定 >1031~ 1033 1911 恩斯特·拉塞福
中子 n udd 939.565560(81) 885.7±0.8 1932 詹姆斯·查德威克
Δ粒子 Δ++ uuu 1230~1234 (1.58~1.72)×10-15



Δ+ uud
Δ0 udd
Δ- ddd
Λ粒子 Λ uds 1115.683±0.006 (2.632±0.020)×10-10 1947 羅徹斯特、巴特拉
Λc+ udc 2284.9±0.6 (200±6)×10-15



Λb0 udb 5624±9 (1.229±0.080)×10-12



Σ粒子 Σ+ uus 1189.37±0.07 (0.8018±0.0026)×10-10 1953 伯尼特
Σ0 uds 1192.642±0.024 (7.4±0.7)×10-20 1953

Σ- dds 1197.449±0.030 (1.479±0.011)×10-10 1953

Ξ粒子 Ξ0 uss 1314.83±0.20 (2.90±0.09)×10-10 1959

Ξ- dss 1321.31±0.13 (1.639±0.015)×10-10 1952

Ω粒子 Ω- sss 1672.45±0.29 (0.821±0.011)×10-10




介子



Type S L P J JP
Pseudoscalar meson 0 0 0 0−
Pseudovector meson 0, 1 1 + 1 1+
Vector meson 1 0, 2 1 1−
Scalar meson 1 1 + 0 0+
Tensor meson 1 1, 3 + 2 2+


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