要理解粒子物理标准模型,这样解释更容易

晋城新闻网 2019-05-11

那么我们在这里有什么?总共17个粒子,让我们来解释它们是什么以及如何对它们进行分类。我们将从玻色子开始,右边的4个红色方格。这些粒子是3种基本相互作用的介质,电磁,强相互作用和弱相互作用。玻色子自旋为1。自旋质量和电荷是所有粒子具有的特性,数值写在每个方块的左侧。首先我们有胶子,它是强相互作用的中介,它仅与夸克相互作用,胶子的质量为0。接下来我们有光子,它是电磁相互作用的中介。它与任何具有非零电荷的粒子相互作用。 您可以在每个方块的第二行中看到每个粒子的电荷。剩下的两个玻色子是Z和 W 。

要理解粒子物理标准模型,这样解释更容易

粒子物理标准模型

请注意,粒子与另一个粒子相互作用的唯一方法是交换玻色子。这就是为什么知道每个玻色子与之相互作用的粒子很重要的原因。比如,如果一个电子想要与上夸克相互作用,他们可以使用光子,Z或W,因为这些粒子与两者相互作用,但它不能使用胶子,因为胶子不与电子相互作用。图片来源:Eugene Khutoryansky。

要理解粒子物理标准模型,这样解释更容易

通过光子相互作用的两个电荷

接下来是费米子。他们自旋都是1/2。这些包括夸克和轻子。每种类型的费米子都有3代。从左到右第一代是正常的事物,更高的世代只是第一代更大规模的版本,并且所有更高代的轻子在很短的时间内衰退为第一代(中微子除外)。夸克有两种类型称为上和下。上夸克是第一排,包括u/c/t,下夸克是第二排,包括d/s/b。,粲(灿音)和顶与奇和底只是上下夸克的更大质量版本。它们具有完全相同的电荷自旋和相同的与玻色子的相互作用。图片来源:Eugene Khutoryansky。

要理解粒子物理标准模型,这样解释更容易

夸克

轻子也有两种类型,所谓的“向上型轻子”排在第三排,它们包括电子e μ子τ子 像往常一样,μ子τ子只是电子的更大质量版本。“向下型轻子”是中微子,在第四排。 每种上型轻子都对应一种中微子,电子中微子,μ子中微子和τ子中微子。与其他粒子不同,我们并不真正知道中微子的质量。我们只知道它不是零,它非常小。我们也知道,与所有其他轻子一样,较高世代比较低世代更大。图片来源于网络。

要理解粒子物理标准模型,这样解释更容易

电子轨道分布

费米子也有一种称为手性的属性。标准模型中的所有费米子都有左手和右手版本,除了中微子,它们可能只有左手手性(我们仍然不确定)。相反手性的费米子表现不同,特别是 W 玻色子只与左手费米子相互作用。

希格斯玻色子,最右边的一个,它实际上与所有具有质量的粒子相互作用,它是自旋为0的唯一已知粒子,因此它具有自己的类别。图片来源:quantumtocosmos。

要理解粒子物理标准模型,这样解释更容易

模拟产生希格斯玻色子的粒子碰撞

如果您对哪些玻色子与哪些粒子相互作用感到困惑,下图显示了所有可能的相互作用。请注意,除光子外,所有玻色子都可以与它们自身相互作用。顶点(深椭圆)表示粒子的类型,边(蓝弧)表示它们之间的相互作用。多代粒子(轻子,夸克)共有一个椭圆形。连接到框的弧相当于连接到框中每个椭圆的弧,轻子和夸克是物质粒子; 光子,W / Z,胶子是力中介粒子; 希格斯玻色子放在中部。图片来源: Eric Drexler。

要理解粒子物理标准模型,这样解释更容易

粒子间的相互作用

反粒子,你可能想知道这个表中反粒子的位置。反粒子就是质量自旋相同,电荷相反。由于它们的属性是相同的并且电荷只是一个减号,因此根本不需要单独的表。例如,电子具有称为正电子的反粒子,它们的区别是它的电荷是+1而不是-1 。上夸克有电荷+2/3 和颜色电荷+1红色绿色或蓝色。 它的反粒子具有电荷-2/3和颜色电荷-1红色绿色或蓝色。光子是它自己的反粒子,因为它没有电荷或彩色电荷。中微子可能是他们自己的反粒子,也可能不是,它实际上仍然是一个悬而未决的问题,我们仍然对中微子了解多不。

要理解粒子物理标准模型,这样解释更容易

粒子与反粒子

复合粒子,这些是由两种或更多种基本颗粒组成的颗粒。最简单的复合粒子称为强子。比如重子,由三个夸克或三个反夸克组成,最重要的重子是构成原子核的质子和中子。或介子由夸克和反夸克组成。更复杂的复合粒子是原子和离子,它们通常由质子,中子和电子组成。这意味着构成所有我们熟悉的物质(包括我们自己的身体)的原子仅由第一代夸克和轻子构成:上夸克下夸克和电子。图片来源:Eugene Khutoryansky。

要理解粒子物理标准模型,这样解释更容易

中子

这些复合颗粒的行为可以使用标准模型计算,但它们不是该模型中的基本成分。你可以尝试用更高代夸克和轻子的组合制造原子,但这些原子不稳定,不会形成原子。只有第一代夸克和轻子是稳定的,可以形成原子。但是,你可以使用第一代反夸克制作一个反质子,再添加一个正电子,你就会得到一个反氢原子,这是在实验室中实现的。

要理解粒子物理标准模型,这样解释更容易

暗物质

暗物质和超对称粒子,这些粒子都是假设的,它们没有通过实验观察到,我们不知道它们是否真的存在。标准模型的各种扩展中包含许多假设粒子,但模型本身仅包括上面列出的17个粒子,其存在已通过实验验证。图片来源:Barbara Warmbein。

要理解粒子物理标准模型,这样解释更容易

模拟产生超对称粒子的粒子碰撞

那么引力子呢?重力与其他三种力非常不同。最显着的差异之一是我们不知道如何使用我们用来描述标准模型的相同数学框架来描述引力,我们不能在标准模型中加入它,特别是引力子。这与超对称粒子不同,我们不知道是否存在超对称粒子,我们可以假设再通过实验确定。对于引力子,它完全不同,我们清楚引力存在,如果可以量化,那么根据定义,引力子也必须存在。他们不属于标准模型的原因是数学上的,我们根本不知道如何量化它们。引力子是关于引力的许多理论和模型的一部分,引力子是旋转2的玻色子,但从未得到明确证实。