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基本粒子特征结构及分类

基本粒子特征结构及分类

基本粒子,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。并不会因为小而断定它不是某种物质。现在科学家利用粒子加速器加速一些粒子,有时候用粒子相撞的方法,来研究基本粒子。

 

特征结构

 

粒子的大小

 

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。

 

粒子的质量

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、带电轻子、中间玻色子获得质量。现有的粒子质量范围很大。光子、胶子是无质量的,电子质量很小,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,已非常接近零。

 

粒子的寿命

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。质子是最稳定的粒子,实验已测得的质子寿命大于1033次方年。(右图片绘制:张嘉年)

 

粒子具有对称性

粒子具有对称性,有一个粒子,必存在一个反粒子。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。

 

分类

 

费米子

主条目:费米子

基本费米子分为 2 类:夸克和轻子夸克

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)

 

玻色子

主条目:玻色子

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。规范玻色子

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 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

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)是粒子物理标准模型中唯一还没有在加速器上产生出来的粒子。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,的加速器能量还无法达到,而理论的计算也比较困难。物理学家们普遍希望能够在2008年将要开始运行的大型强子对撞机上产生出希格斯粒子。

标准模型预言存在2种希格斯粒子:H+H0,但是也有很多科学家提出其他的可能性。

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