世界的磚塊——走近粒子物理標準模型

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無論是古希臘哲學家還是先秦諸子們，都有關於世界是由粒子組成的猜想。而粒子物理正式作為一門學科建立起來，則是在千年之後的1895年。德國物理學家倫琴在研究氣體放電和陰極射線時候，發現了X射線。這一年堪稱粒子物理元年。

現在看來，粒子物理堪稱是一門正確的學科，誕生在了正確的時間點上。二十世紀初，經典物理大廈在量子革命中轟然倒塌，量子力學席捲了整個物理學界。另一方面，狹義相對論的建立也讓人們對因果律的認識更加深刻。粒子物理獲得了發展必備的兩件工具。上世紀30年代，泡利和費米等人先後提出了中微子猜想和弱相互作用的費米理論。儘管費米理論只是一個不可重整化的理論，但是它在物理學史上依然有著很深厚的影響。1956年，楊振寧和李政道提出了宇稱不守恆理論。而事實上，在此之前，楊振寧先生的更重要的一項工作已經在1954年初步完成，這項工作在經典場論的基礎上將Abelian規範場推廣到non-Abelian規範場，即楊-米爾斯理論。在楊先生的工作的基礎上，科學家們逐漸預言了傳遞弱相互作用的W正負和Z等規範玻色子和希格斯玻色子。1967年，格拉肖、溫伯格和薩拉姆分別獨立提出了電弱統一理論。隨著1971年，特霍夫特等人證明了電弱統一理論的重整性，至此，標準模型建立成功。

豐富多彩的粒子物理

標準模型巧妙的將自然界的三種基本作用整理到一起，即電磁相互作用、弱相互作、強相互作用等。由於引力子尚未發現，因此標準模型並沒有引力子。事實上，一部分科學家認為，一定會找到引力子，並且引力是可以量子化的；而另一部分科學家則堅信一切都是幾何，並沒有所謂的引力子。目前引力子尚是開放性問題。

施溫格原理告訴我們，由微觀因果性的要求，經典場只有兩種量子化條件，分別對應玻色子和費米子。而標準模型中的基本粒子，也可以分為這樣兩類。所謂的費米子指的是自旋為半整數的粒子，而玻色子自旋則為整數。自旋是一種內稟屬性，並不是粒子真正在轉圈圈。目前，自旋的本質也是開放性問題。

標準模型中，玻色子可分為規範玻色子和希格斯玻色子它們的自旋都是1。規範玻色子傳遞基本相互作用，而希格斯玻色子通過希格斯機制賦予其他粒子質量。

基本粒子標準模型，圖片來自中山大學張宏浩教授的ppt

而標準模型的費米子可分為輕子和夸克，它們的自旋都是1/2。其中，輕子包括電子、μ子、τ子及其對應的中微子；夸克包括上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、頂夸克、底夸克。其中質量最小的是上夸克，僅有2.3MeV，下夸克次之，為4.8MeV。顯然，輕子和夸克包括三代和六種味道。

標準模型並非最終理論。它具有太多自由度，這對於一個基本理論來說，顯得太過依賴於實驗。另外，它中間缺少能夠作為暗物質的粒子（最接近的中微子太輕了）。而兩次獲得諾貝爾獎的中微子振蕩問題則告訴我們，中微子一定具有質量，這也是標準模型困難之一。

了不起的楊先生

由於標準模型只包含基本粒子，因此質子等並不在其中。由於漸進自由和色禁閉，目前尚未觀測到自由夸克，更多的觀測到的是3個夸克或者反夸克（重子），或者一對夸克和反夸克（介子）。其中，質子是最輕的重子，由兩個上夸克和一個下夸克組成，記作uud，中子次之，由一個上夸克和兩個下夸克組成，記作udd。但是，泡利不相容原理告訴我們，不可能存在三個上夸克組成的重子。質子和夸克的相對大小十分誇張，如果將質子和中子放大到直徑為1米的球體，那麼夸克和電子的直徑還不到1毫米，整個原子的直徑則將超過100公里。

當今科學界最前沿的問題，正是生命的本質，宇宙的起源，萬物的基本結構。顯然，這些都是粒子物理扮演著舉足輕重的角色的交叉學科。粒子物理，無論是理論還是實驗，都將大有可為！

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作者：劉丹寧王紀堯

配圖：王紀堯

校對：葉君耀

排版：王紀堯

責任編輯：解仁江

牧夫新媒體編輯部

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