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解释:基本粒子是什么?

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保罗·基伯德-伦敦布鲁内尔大学粒子物理信息学高级讲师

在宇宙大爆炸之后,轻子的时代持续了9秒钟--图像信用:银威臣SimonVilleneuve通过维基共享

人们常说,古希腊人第一次发现没有大小的物体,却能够通过它们的相互作用来建立我们周围的世界。当我们能够用越来越强大的显微镜观察世界时,自然会想知道这些物体是由什么组成的。

我们相信我们已经发现了一些这样的物体:亚原子粒子,或者没有尺寸的基本粒子,它们不可能有亚结构。我们现在试图解释这些粒子的性质,并努力展示这些粒子如何被用来解释宇宙的内容。

有两种类型的基本粒子:物质粒子,其中一些结合在一起产生我们周围的世界,和力粒子-其中之一,光子,负责电磁辐射。这些被分类为粒子物理的标准模型它从理论上说明了物质的基本构成块是如何相互作用的,是由基本力量支配的。物质粒子是费米子,力粒子是玻色子。

物质粒子:夸克和轻子

物质粒子被分成两类:夸克和轻子--其中有六个,每个有一个对应的伙伴。

轻子分为三对。每对都有一个带电荷的基本粒子和一个没有电荷的基本粒子--一个要轻得多,而且很难检测到。其中最轻的是电子和电子中微子。

带电的电子对电流负责。它的未充电伙伴,被称为电子中微子,是在太阳中大量产生的,它们与周围环境的相互作用是如此微弱,以至于它们不受阻碍地通过地球。每一秒、每一天、每夜,它们都会穿过你身体的每一平方厘米。

电子中微子是以难以想象的数量产生的。在超新星爆炸中正是这些粒子将核燃烧产生的元素分散到宇宙中。这些元素包括我们所用的碳,我们呼吸的氧气,以及地球上几乎所有的东西。因此,尽管中微子不愿与其他基本粒子相互作用,但它们对我们的存在至关重要。另外两个中微子对(称为μ子和μ子中微子、τ中微子和τ中微子)似乎只是电子的更重版本。

由于正常物质不包含这些粒子,它们似乎是不必要的并发症。不过在第一到十秒钟内在宇宙大爆炸之后,他们在建立我们所生活的宇宙的结构方面扮演着至关重要的角色--被称为“Lepton时代”(Lepton Epoch)。

 

这六个夸克也被分成三对,它们的名字都是异想天开的:“向上”加上“向下”,“魅力”与“奇怪”,“顶部”与“底部”(以前被称为“真理”和“美”,但遗憾的改变)。上、下夸克聚集在一起,形成位于每个原子中心的质子和中子。同样,在正常物质中,只有最轻的一对夸克被发现,魅力/奇怪和顶部/底部对在宇宙中似乎没有任何作用,因为它现在存在,但是,就像重轻子一样,在宇宙的早期时刻扮演了一个角色,并帮助创造了一个适合我们存在的夸克。

力粒子

标准模型中有六种力粒子,创造了相互作用物质粒子之间。他们被分成四种基本力引力、电磁力、强力和弱力。

光子是光的粒子负责电场和磁场,由光子从一个带电物体交换到另一个物体。

胶子产生的力负责将夸克凝聚在一起形成质子和中子,并将这些质子和中子聚集在一起形成更重的原子核。

三个名为“W+”、“W-”和“Z-”的粒子--称为中间矢量玻色子--负责放射性衰变的过程。阳光下的过程,使它发光。第六种力粒子,即引力子,被认为是引起引力的原因,但是还没有被观察到.

反物质:科幻现实

我们也知道反物质的存在。这是一个深受科幻作家喜爱的概念,但它确实存在。反物质粒子经常被观察到。例如,正电子(电子的反粒子)在医学上被用来测绘我们的内脏。正电子发射层析成像(宠物)。著名的是,当一个粒子遇到它的反粒子时,它们会相互湮灭,产生一股能量爆发。PET扫描仪用于检测这一点。

上面的每一个物质粒子都有一个质量相同但电荷相反的伴粒子,所以我们可以将物质粒子的数量(六个夸克和六个轻子)加倍,最终达到24。

我们给出物质夸克数+1,反物质夸克值-1。如果我们把物质夸克的数量加上反物质夸克的数量相加,我们就可以得到宇宙中夸克的净数量,这是不变的。如果我们有足够的能量,只要我们同时创造一个反物质夸克,我们就可以制造出任何一个物质夸克。在宇宙的早期时刻,这些粒子是连续产生的--现在它们只是在宇宙射线与行星和恒星大气层的碰撞中产生的。

著名的希格斯玻色子

最后一个粒子完成了粒子的点名,这是迄今为止所描述的粒子物理学的标准模型。这是50年前彼得希格斯预言的希格斯粒子,他的CERN的发现2012年,希格斯和弗朗索瓦·恩格勒特获得诺贝尔奖。

希格斯玻色子是一个奇怪的粒子:它是标准模型粒子中第二个最重的粒子,它抗拒一个简单的解释。人们常说它是质量的来源,这是正确的,但却具有误导性。它给夸克以质量,夸克构成质子和中子,但只有2%的质子和中子是由夸克提供的,其余的来自胶子中的能量。

在这一点上,我们已经计算了标准模型所要求的所有粒子:六个力粒子,24个物质粒子和一个希格斯粒子--总共31个基本粒子。尽管我们对它们所知甚少,但它们的性质还没有得到很好的测量,因此我们可以肯定地说,这些粒子是我们所看到的宇宙所需要的一切,我们当然也是这样做的。不是所有的答案。的下一轮大型强子对撞机将允许我们改进我们对这些特性的测量--但是还有其他的东西。

拉特强子对撞机-图像信用D-愿景通过Shutterstock-HDR调由环球-Sci

然而这个理论仍然是错误的。

美丽的理论,标准模型,经过了二十多年的测试和再测试;我们还没有做一个与我们的预测相矛盾的测量。但我们知道标准模型一定是错的。当我们将两个基本粒子碰撞在一起时,可能会有许多结果。我们的理论允许我们计算任何特定结果可能发生的概率,但在我们迄今取得的能量之外,它预测其中一些结果发生的概率大于100%--显然是胡说八道。

理论物理学家们一直在努力构建一个在所有能量下都能给出合理答案的理论,同时在所有测试标准模型的情况下给出与标准模型相同的答案。

最常见的修饰意味着有很重的未被发现的粒子。事实上,它们是沉重的,意味着需要大量的能源来生产它们。这些额外粒子的性质可以被选择,以确保得到的理论在所有能量下都能给出合理的答案,但它们对与标准模型非常一致的测量没有任何影响。

这些未被发现和尚未发现的粒子的数量取决于你选择相信哪种理论。这些理论中最流行的一类叫做超对称理论和它们意味着,我们看到的所有粒子都有一个更重的对应物。然而,如果它们太重,在这些粒子被发现之前,我们所能产生的能量就会出现问题。但是能量将会到达下一轮大型强子对撞机如果没有新粒子就会对所有超对称理论造成打击。

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