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基本粒子

/elementary particles/
条目作者李学潜

李学潜

最后更新 2022-12-23
浏览 258
最后更新 2022-12-23
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构成物质的最基本的组分。

英文名称
elementary particles
所属学科
物理学

基本粒子的定名应该说是历史的误会。历史上由于人类认识能力所限,当时的“基本”粒子或许并不基本。科学家们一直在梦想找到终极真理,包括两个方面:其一是最“基本”的相互作用,它可以决定宇宙万物的行为;另一个是物质终极可分极限,从古希腊提出原子的概念开始,就在寻找最“基本”的物质结构,即基本粒子。在20世纪初的现代物理时代,人类认识到的“基本”粒子只有电子、光子和质子。但随后中子的出现改变了这一看法,而且认定原子核是由质子和中子共同构成的,当时的基本粒子就包含了这4种。

但是探索并未终止。汤川秀树在研究核力时,预言了介子的存在,后来被实验证实。“基本”粒子家族就又多了一个成员。在20世纪50年代,由于加速器的出现,一大堆新粒子产生,其中既有自旋为半整数的费米子也有自旋为整数(包括0和1)的玻色子。特别是产生了大量所谓的“奇异”粒子,它们是强产生而弱衰变(见奇异强子),显然和原有所谓“基本”粒子不同。所发现的大量粒子被当时的科学家戏称为动物园,质量和寿命非常不同。但这么多的粒子显然不可能都是基本的,当时有很多模型,例如坂田昌一建议质子,中子和(一种中性奇异重子)为基本的,其他粒子都由它们构成。但很快人们就发现这个模型无法解释诸如质量、寿命等特征而最终被放弃。

这时M.盖耳-曼提出夸克模型,即存在三种夸克:,它们的自旋为1/2,分别带有电子电荷的2/3、-1/3、-1/3倍。这个SU(3)模型非常成功地解释了当时发现的所有自旋为整数的介子和自旋为半整数的重子(统称为强子)的结构和各种性质。然而很快人们发现如果只有这三种夸克,介子的衰变(实为夸克的弱衰变)宽度的理论计算不能保证幺正性(即概率会大于1)。要解决这个问题,至少需要存在一个电荷为2/3的夸克。丁肇中和B.里克特组分别找到了包含的重介子,从而确认粲夸克的存在。之后又找到底夸克(带-1/3电荷)。很久以后,在美国费米国家实验室的TEVATRON上终于找到期盼的顶夸克

2013年在欧洲联合核子研究中心(CERN)找到了希格斯粒子。这样现在标准模型的“基本”家族就已完成,它们是:六种夸克,六种轻子,以及它们的反粒子;四种传播相互作用的场量子,即自旋为1的规范玻色子:光子(,电磁作用),胶子(,强作用),规范粒子(弱作用);以及一种中性标量玻色子:希格斯粒子()。

如果说“基本”,那就是指这些夸克、轻子、规范玻色子和希格斯标量粒子。当然它们是不是最基本的,还要看实验水平。在还没有任何迹象表明它们是有内部结构的前提下,只能说对现有实验所能达到的标度,它们是“基本”的,但不意味将来物理学的进展仍然确认它们是“基本”的。

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