哈佛大学物理系学霸生动地讲解基本粒子

哈佛大学物理系学霸生动地讲解基本粒子
2020年01月17日 15:15 新浪网 作者 白萝卜科技

哈佛大学物理系学霸生动地讲解基本粒子

基本粒子是宇宙中已知的最小的组成部分,它们被认为是没有内部结构的。电子可能是最常见的基本粒子,但是描述粒子和几乎所有力的相互作用的标准物理模型,可以识别10个基本粒子。

电子及相关粒子

电子是原子中带负电的成分。虽然它们被认为是零维点粒子,但是电子被一系列其他虚拟粒子所包围,这些虚粒子不断地忽隐忽现,本质上是电子自身的一部分。一些理论预测,电子有一个轻微的正极和一个轻微的负极,这意味着这个虚拟粒子云应该因此有点不对称。

如果是这样的话,电子的行为可能会不同于它的反物质正电子,这可能会解释许多关于物质和反物质的奥秘。但物理学家们已经反复测量了电子的形状,并发现它在他们所知的范围内是完美的圆形。

这个电子有两个更重的表亲,叫做μ子和τ子。当来自外太空的高能宇宙射线撞击地球大气层顶部,产生大量奇异粒子时,就可以产生μ子。由于τ子比电子重3400多倍,因此它更稀有,也更难产生。电子、μ子、τ子和它们所对应的中微子成了一类称为轻子的基本粒子。

夸克及其奇异性

组成质子和中子的夸克是另一种基本粒子。夸克和轻子一起构成了我们所看到的物质。

从前,科学家认为原子是可能存在的最小物体,原子这个词来自希腊语“atomos”,意思是“不可分割的”。在20世纪之交,原子核被证明是由质子和中子组成的。然后,在整个20世纪50年代和60年代,粒子加速器不断地揭示出一群奇异的亚原子粒子,如π介子和k介子。

1964年,物理学家默里·盖尔曼和乔治·茨威格各自提出了一个模型,该模型可以解释质子、中子和粒子动物园其他部分的内部运作。存在于质子和中子内部的是被称为夸克的微小粒子,它们有六种可能的类型:上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克、底夸克。

质子由两个上夸克和一个下夸克组成,而中子由两个下夸克和一个上夸克组成。上夸克和下夸克是最轻的两种。因为质量更大的粒子会衰变为质量更小的粒子,所以上下夸克也是宇宙中最常见的粒子,因此,质子和中子构成了我们所知道的大部分物质。

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自然界的基本粒子

四种基本的自然力:电磁力、引力、强核力和弱核力,每一个都有一个相关联的基本粒子。

光子是最著名的,它们携带电磁力。胶子携带着强核力,与夸克一起存在于质子和中子中。弱力是由两个基本粒子W和Z玻色子携带的,它可以介导某些核反应。

引力在这里是一个局外人。它没有被纳入标准模型,尽管物理学家怀疑它可能有一个相关的基本粒子,这将被称为引力子。如果引力子存在,在瑞士日内瓦的大型强子对撞机(LHC)中制造它们是可能的,但根据欧洲核子研究中心的说法,它们将迅速消失在额外的维度中,留下一个原本应该存在的真空区域。到目前为止,LHC还没有发现引力子或额外维度的证据。

难以捉摸的希格斯玻色子

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最后,还有希格斯玻色子,它是基本粒子之王,负责赋予所有其他粒子质量。寻找希格斯粒子是科学家们努力完成标准模型目录的主要工作。2012年,当希格斯粒子最终被发现时,物理学家们欢欣鼓舞,但结果也让他们陷入了困境。

希格斯玻色子看起来和预测的几乎一模一样,但科学家们希望看到更多。众所周知,标准模型是不完整的,例如,它缺乏对引力的描述。研究人员认为,找到希格斯粒子将有助于提出其他可能取代标准模型的理论。

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