標準模型61種粒子（標準模型61種粒子有哪些）

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本文目錄:

• 1、標準模型是粒子物理學里描述的哪三種基本力

• 2、粒子物理標準模型中存在什么樣的巨大缺陷？

• 3、基本粒子的內(nèi)容

• 4、物理學的標準模型有哪些理論基礎(chǔ)？

一、標準模型是粒子物理學里描述的哪三種基本力

標準模型是粒子物理學里描述的強力、弱力、電磁力三種基本力。標準模型隸屬量子場論的范疇，并與量子力學及狹義相對論相容。但是標準模型還不是一套萬有理論，主要是因為沒有描述到引力。

標準模型共61種基本粒子包含費米子及玻色子——費米子為擁有半奇數(shù)的自旋并遵守泡利不相容原理（這原理指出沒有相同的費米子能占有同樣的量子態(tài)）的粒子；玻色子則擁有整數(shù)自旋而并不遵守泡利不相容原理。簡而言之，費米子就是組成物質(zhì)的粒子而玻色子則負責傳遞各種作用力。

二、粒子物理標準模型中存在什么樣的巨大缺陷？

粒子物理標準模型

作為現(xiàn)代物理學的最高成就，粒子物理標準模型無疑取得了巨大的成功。在當今世界各種粒子加速器中，粒子之間的碰撞行為都在標準模型的預測之中。粒子加速器越強大，實驗值和理論值越接近。

那么，什么是粒子物理標準模型？這套理論是如何創(chuàng)立的？它有多強大？

在自然界中，無論力的作用是怎樣的，從根本上都可以歸咎為四種基本力：主宰天體的引力、主宰帶電粒子的電磁力、主宰原子核的強核力和弱核力。

這四大基本力都有各自的理論進行描述，例如，引力由廣義相對論來描述，電磁力由麥克斯韋電磁場方程組來描述。但包括愛因斯坦在內(nèi)的物理學家認為，四大基本力在本質(zhì)上是統(tǒng)一的，可以由同一個理論來描述。但縱然是愛因斯坦，他終其一生也沒能完成大統(tǒng)一理論。

愛因斯坦想要統(tǒng)一引力和電磁力，始終沒有成功。后來的物理學家從其他角度入手，大統(tǒng)一理論開始有了起色。

楊振寧建立了楊米爾斯理論，這為后來的電磁力和弱核力統(tǒng)一奠定基礎(chǔ)。電弱統(tǒng)一之后，強核力通過量子場論被統(tǒng)一起來。最終，物理學家得到了統(tǒng)一電磁力、弱核力和強核力的粒子物理標準模型。正因為如此，楊振寧在史上最偉大的物理學家中可以排到前20名，他對現(xiàn)代物理學的貢獻無疑是巨大的。

一個好的理論不僅能夠準確描述已有的現(xiàn)象，而且還能預言未知的東西。標準模型預言，物體質(zhì)量一部分源自于希格斯玻色子，這個粒子最終在大型強子對撞機中被發(fā)現(xiàn)。在標準模型中，總共存在著61種基本粒子，它們決定了這個世界的構(gòu)成。

盡管標準模型大獲成功，但它存在巨大的缺陷，這個理論不可能是物理學家追求的終極大統(tǒng)一理論，這是為什么呢？

原因在于引力還沒有被量子化，或者說描述引力的廣義相對論和量子力學無法統(tǒng)一。無論是廣義相對論，還是量子力學，它們在各自范圍內(nèi)都是成功的理論，但它們之間就是無法兼容。大統(tǒng)一理論必然是涵蓋了四大基本力，廣義相對論、粒子物理標準模型都只是大統(tǒng)一理論的近似。

那么，大統(tǒng)一理論究竟是怎樣的呢？

在弦理論中，標準模型所認為的基本粒子并不基本，它們都是由尺寸極小的一維弦構(gòu)成。一維弦具有不同的振動方式，從而表現(xiàn)出不同的性質(zhì)，這成了我們所觀測到的各種粒子。

但遺憾的是，目前并沒有實驗證據(jù)能夠支持弦理論，這個理論還只是一個十分高深的數(shù)學游戲。因為弦理論所涉及的尺度太小，只有更高的能量才有可能敲開粒子的更深次結(jié)構(gòu)，目前的粒子極速器都無法達到。

三、基本粒子的內(nèi)容

基本粒子表 基本粒子的概念也在隨著物理學的發(fā)展而不斷的變化著，人們的認識也在朝著揭示微觀世界的更深層次不斷地深入。 “基本粒子”的“祖孫”三代 10飛米 原子核的特寫 從湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子到1932年發(fā)現(xiàn)中子，人們認識到質(zhì)子、中子、電子和光子可以稱為基本粒子。當時一度認為一切都已搞清楚：質(zhì)子和中子構(gòu)成一切原子核；原子核和電子則構(gòu)造了自然界的一切原子和分子，而光子僅僅是構(gòu)成光與電磁波的最小單元。然而好景不長，對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的這樣一種“圓滿”的解釋并沒能持續(xù)多久，人們很快發(fā)覺當時所發(fā)現(xiàn)的基本粒子不能圓滿地解釋核力。 第一代 35年著名的日本物理學家湯川秀樹（1907～1981年）大膽假設，很可能還有未曾發(fā)現(xiàn)的新粒子。湯川秀樹認為，就像電磁相互作用是通過交換光子而實現(xiàn)的那樣，核力是通過核子間交換一種介子而實現(xiàn)的。他還估算出了這種粒子的質(zhì)量大約是電子質(zhì)量的200倍。兩年之后，美國物理學家卡爾·戴維·安德孫（1905～年）在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了一種帶電粒子，它的質(zhì)量是電子的200倍左右，被命名為“m（繆）介子”。理論預言的成功使人們倍感欣慰，但進一步的考察卻令人十分掃興。因為這種m介子根本不與核子相互作用，很明顯，它不可能是湯川秀樹所預言的粒子。 1947年，巴西物理學家塞色，M·G·拉帝斯等人利用核乳膠在宇宙射線中又發(fā)現(xiàn)了一種介子——p介子。p介子的性質(zhì)完全符合湯川秀樹的預言，能夠解釋核力。實際上，“m介子”不是介子而是一種輕子，所以現(xiàn)在將m介子稱為“m子”。到1947年，人們認識的粒子已達14種之多。其中包括當時已發(fā)現(xiàn)的光子(g),正負電子（e±),正負m 子（m ±)，三種p介子（p±, p0），質(zhì)子（p）和中子（n）10種；另外4種就是1956年在實驗室中被發(fā)現(xiàn)的正反電子中微子、反質(zhì)子和反中子。這14種粒子各有用武之地，其中質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成一切穩(wěn)定的物質(zhì)；光子是電磁力的傳遞者，p介子傳遞核力，中微子在b衰變中扮演不可缺少的角色（b衰變是原子核自發(fā)地放射出電子或正電子，或者俘獲原子內(nèi)電子軌道上的一個電子，而發(fā)生的轉(zhuǎn)變）；而m子則在宇宙射線中出現(xiàn)。以上這些就構(gòu)成了第一代粒子。 第二代 穩(wěn)定的秩序似乎并沒有維持多久，“完滿”的舊理論很快就被一系列新的疑問所沖破。在發(fā)現(xiàn)p 介子的1947年，人們利用宇宙射線在云室中拍下了兩張有V字形徑跡的照片，衰變產(chǎn)物是p±介子和質(zhì)子（p）。這兩種徑跡不能用任何當時已發(fā)現(xiàn)的第一代粒子來解釋，于是人們很自然的想到，這一定是兩種未發(fā)現(xiàn)的粒子衰變所形成的。在之后的幾年里，人們拍攝了十多萬張宇宙射線照片，終于發(fā)現(xiàn)了這兩種不帶電的新粒子。其中一個質(zhì)量為電子質(zhì)量的1000倍，現(xiàn)在被叫做“k0介子”；另一個約為電子質(zhì)量的2200倍，現(xiàn)在稱為 l粒子（讀“蘭布塔”）。我們稱它們?yōu)榈诙Ｗ?，這是因為它們有兩個明顯的特點：(1) 產(chǎn)生快，衰變慢；(2) 成對（協(xié)同）產(chǎn)生，單個衰變。這些特點用過去的理論是無法解釋的，所以又稱它們?yōu)椤捌娈惲Ｗ印薄?為了對這些奇異粒子進行定量研究，光靠宇宙射線是不夠的。50 年代初，一些大型加速器陸續(xù)建成，使人們有可能利用加速器所加速的粒子來轟擊原子核，以研究奇異粒子。 到1964年人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一批奇異粒子，使人們發(fā)現(xiàn)的粒子種類達到了33種。這些奇異粒子統(tǒng)稱為“第二代粒子”。 第三代 如果我們把已發(fā)現(xiàn)的30多種粒子按它們的穩(wěn)定程度來分類，那么其中有的粒子是穩(wěn)定的，例如質(zhì)子、電子等；有的粒子卻要自發(fā)地衰變成其它粒子，例如m ±、p±、π0、k0、λ0……等。它們衰變的時間一般在10-20 ～10-16秒或大于10-10秒，分別屬于電磁作用衰變和弱作用衰變。到了60年代，由于加速器的能量逐步提高和高能探測器的迅速發(fā)展，在實驗上也發(fā)現(xiàn)了衰變時間在10-24～10-23秒范圍的快衰變粒子，其衰變屬強作用衰變。這些粒子被稱為“共振態(tài)粒子”，也稱“第三代粒子”。由于它們的出現(xiàn)，使粒子種類猛增到上百

四、物理學的標準模型有哪些理論基礎(chǔ)？

物理學中的標準模型的理論完成于上世紀70年代，是目前人類對微觀世界一個系統(tǒng)的完善的描述。在這個模型中，物理世界由61個基本粒子構(gòu)成，2012年7月歐洲LHC找到了希格斯粒子，意味著這些基本粒子都在實驗室中被發(fā)現(xiàn)。標準模型的正確性也可體現(xiàn)在每次高能粒子碰撞的實驗中，碰撞產(chǎn)生的成百上千的粒子，其特性都精確符合該模型的預測。當然也有個別問題，如中微子質(zhì)量和μ子反常磁矩和模型預測在高精度上不太符合。

要構(gòu)建標準模型需要哪些理論基礎(chǔ)呢？首先它是從經(jīng)典力學到量子力學等基礎(chǔ)上一步步發(fā)展起來的。附圖中以物理專業(yè)課程的為單位，顯示其理論體系。需要說明的是高等量子力學、量子電動力學和規(guī)范場論等 發(fā)展的實際過程是不分家的或相互重疊的，區(qū)分這些課程是后來人們?yōu)榉奖憬虒W而總結(jié)的。下面介紹幾個重點的理論。像量子力學等在科普中已介紹很多這里不再重復。

它的內(nèi)容主要是量子力學一些擴展如角動量和繪景等，還有重要的是狄拉克方程。1928年狄拉克提出一個符合狹義相對論的可描寫電子的波函數(shù)的方程，它比薛定諤方程更為自然。最重要的是，他解釋了用薛定諤方程無法解釋的氫原子光譜的精細結(jié)構(gòu)現(xiàn)象（就是某些譜線粗看是一條線，細看是多條線）。他因此也創(chuàng)立了相對論量子力學。遺憾的是，他不能解釋氫原子光譜的超精細結(jié)構(gòu)問題。

量子場論起源于量子電動力學QED，它早期是用量子力學來研究電動力學內(nèi)容的，后來逐步加入狹義相對論、早期規(guī)范方法、場的思想以及正則表達等理論，發(fā)展為量子場論。我們也可以把量子電動力學和規(guī)范場理論稱為量子場論。只是量子電動力學只研究電磁相互作用。

相對于早期的量子力學，量子場論是一個比較成熟和完善的量子理論。之前，量子力學使用波函數(shù)描述一個單粒子運動的，對于多粒子系統(tǒng)很不方便。而量子場論是針對多粒子系統(tǒng)，研究每一點的場，因此有無窮多自由度。

1949年施溫格解決了一個曾使量子電動力學停滯20年的積分發(fā)散的難題。它的應用體現(xiàn)在對電子磁矩g因子的計算上，當時用相對論量子力學計算g=2，而實際測量要比理論值大千分之幾。經(jīng)過施溫格理論修正后 (習慣用異常因子a來表示這個差別 a=g/2-1) a=0.0011614 當時實驗結(jié)果為 a=0.0011597 該方法現(xiàn)在在量子場論叫圈圖修正。之后量子場論迅猛發(fā)展起來。目前，該異常因子的理論和實驗值在小數(shù)點后11位相同。這種極高的精度使得物理學家們對量子場論有了極大的信心。

它是量子場論的重要組成部分或分支。他是利用物理性質(zhì)在規(guī)范變換下保持不變的特性，專門研究粒子間是如何相互作用的。稍后解釋什么是規(guī)范變換。

規(guī)范變換概念早期由維里提出，用來推導出電磁相互作用的標準形式，后來，楊振寧提出楊米爾斯場，將規(guī)范變換推廣到復雜情況，叫做非阿貝爾群。這個場可以用來尋找更復雜相互作用，這就是弱相互作用和強相互作用。

先看時空不變性(即洛倫茲不變性)，當坐標系旋轉(zhuǎn)一個角度或勻速平移時物理規(guī)律不發(fā)生任何改變。這是宏觀和微觀物質(zhì)在理論和實驗上都遵循的規(guī)律， 這一規(guī)律有助于求得自由(遠離其它物質(zhì))粒子的運動（微分）方程。 相對于時空變換，規(guī)范變換無法用可觀測的物理量表示。究竟怎么定義它呢？現(xiàn)在兩種有相互作用的不同粒子，如果對其波函數(shù)做某種變換（比如乘以模為1的復數(shù)或求導數(shù)），新波函數(shù)不會使可觀測物理量發(fā)生任何改變，把這種變換稱為規(guī)范變換。規(guī)范理論尤其楊米爾斯場，使得可以由規(guī)范變換找到相互作用微分方程。

規(guī)范變換有無窮多種而且是連續(xù)的，怎么表述呢？用李群描述，電磁作用是U(1)群，弱相互作用是SU(2)群，強相互作用是SU(3)群，看出這3個規(guī)范李群代表3種相互作用力。前面洛倫茲變換對應的是洛倫茲群。從某種意義上講微觀世界的規(guī)律是由這幾個群代表的對稱性決定的，這是規(guī)范場論給我們帶來的觀念。對這一理論做出最大貢獻的物理學家 非楊振寧先生莫屬。

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