基本粒子

基本粒子（英文名：Elementary particle 或 Fundamental particle）是组成物质最基本的单位，是组成各种各样物体的基础。基本粒子由费米子（夸克、轻子、反夸克和反轻子）和玻色子（规范玻色子和希格斯玻色子）组成。目前已发现十七种不同的基本粒子——十二种费米子和五种玻色子。由于味道、颜色组合以及反物质的影响，费米子和玻色子分别有 48 种和 13 种变化。标准模型中包含61 种基本粒子：电子和其他轻子、夸克和基本玻色子。

所有基本粒子要么是玻色子，要么是费米子。这些类别通过其量子统计来区分：费米子服从费米-狄拉克统计，玻色子服从玻色-爱因斯坦统计。 它们的自旋通过自旋统计定理来区分：费米子的自旋为半整数，玻色子的自旋为整数。如下图所示。

按照宇宙始于大爆炸的设想，地球上多种多样的物质，都是从基本粒子聚变成氢开始的，然后是四个氢合成一个氮，氮再进一步合成其他元素。这样从轻元素到重元素，约在150亿年前的大爆炸后50万～100万年时，现今所有的元素就已通过核聚变而逐渐形成。元素的形成时期远比太阳系的起源早。根据现代物理、化学的理论与实验和观察的结果，太阳上仍在进行着氢合成氮的热核聚变，及其他天体化学现象。已经可以肯定，宇宙中的元素通过热核聚变反应，经历了从简单到复杂的形成演化过程。根据大爆炸核合成模型，宇宙可见物质的原始组成应该是大约75%的氢和25%的氦-4（质量）以及微量氘[dāo]、锂等极轻元素。在可观测的宇宙中大约有10个质子、中子和电子。

大量基本粒子的发现大体上分为4个阶段：1947年以前，科学家多是发现了由理论首先预言而后又经实验证实的粒子，如正电子、中微子，介子等。人们常把这一时期发现的粒子称为第一代基本粒子。1950年前后人们又发现了一批奇异粒子，被称为二代基本粒子。1960年前后发现的大量共振态粒子被称为第三代基本粒子，以及延续至今的第四阶段。

大量基本粒子的发现可以说是正电子的发现开始的。1929年12月，狄拉克提出“空穴理论”，认为负能态是存在的，用一种新的真空图像解决了负能困难。他认为真空是一个充满负能态的电子海洋。负能态全部被电子占满，同时所有正能态全部没有电子占据，由于遵从泡利不相容原理，正能态电子不能跃到负能态上去。这样就解决了电子稳定性问题。如果负能态电子跃迁到正能态中成为正常电子，则在负能态电子海洋中留下一个空穴，所以空穴与正能态电子将同时产生。反之，正能态电子也可放出能量跃到负能态中的空穴上，电子与空穴将同时湮灭，转化为光子。可见空穴表现出带正电粒子的性质，所带电荷与电子电荷相等。经考察狄拉克于1931年9月提出的空穴应是质量与电子相同的新粒子一反电子，还指出质子也有它的负能态，即反质子的存在。

正负电子

1932年，美国物理学家安德森（C.D.Anderson）在宇宙射线实验中发现了正电子。他是根据所拍照片显示的粒子踪迹分析发现的，并安排了进一步实验。他得知狄拉克预言后，根据实验分析证实正是狄拉克预言的反电子，安德森将其命名为正电子。正电子的发现揭示出人类从未认识的一大片新领地一一反物质的存在，表明了自深界的一种对称美，使人们认识到电荷对称性是一种普遍规律，为在实验上继续寻找其他反粒子开辟了道路，进一步导致了量子场论的诞生。50年代后，科学家们利用高能加速器先后发现了反质子、反中子、反西格玛超子，为反物质的存在提供了证据。中微子的发现首先是奥地利物理学家泡利（Wolfgang Ernst Pauli）于1931年做出的预言。实验表明在β衰变中存在能量亏损问题，在科学界引起争论。泡利认为β衰变过程中，不仅放出电子，还有一部分能量被一种未探测到的新粒子带走了。他假定这种粒子具有电子相同的动量矩、极微小的质量，不带电荷。这样就满足了能量守恒和角动量守恒定律。1934年，费米在基本粒子可以相互转化的基础上建立了β衰变理论，称这种新粒子为中微子。他认为在β衰变时，中子转变为质子、电子、中微子（实际是反中微子）。直到1956年美国物理学家莱因斯和小柯恩等人利用大型反应堆，经3年努力，才直接探测到在轴核裂变过程中产生的反中微子。1962年，美国布鲁克海文国立实验室发现了另一种中微子

。1968年探测到来自太阳的中微子。

β衰变

介子是探讨核力性质时提出来的。1932年，海森堡曾提出“交换力”概念，认为质子与中子间的核力是由于它们不断交换电子而引起的。1934年，日本物理学家汤川秀树发展了这一思想，提出了介子场理论。汤川把核力场与电磁场相类上认为光子是传递电磁相互作用的媒介粒子，在核力场中，因核力是短程力，所以传递核力的媒介粒子应具有静质量，约为电子质量的200倍，可带正电或负电，也可呈电中性，因为这个质量介于电子和质子之间，所以称为介子。1947年英国物理学家鲍威耳（Cecil Frank Powell）利用照相乳胶技术在宇宙线中找到了汤川预言的粒子，其质量为电子的273倍，寿命仅2×10秒，被命名为π介子。

π介子

50年代前后，由于探测和实验技术的提高，科学家们又相继发现了大批积粒子。这些粒子按质量大体上分成两组，质量比核子重的称为超子，质量介于核子与介子之间的称为重介子。到50年代末，人们认识了30多种基本粒子。它们多是从宇宙线中发现的。它们具有奇特的性质：产生得快，衰变得慢，被称为奇异粒子。1954年美国物理学家盖尔曼引入了奇异量子数概念，给出了很好的解释。奇异量子数是根据实验的规律性总结出来的容观存在的守恒量，它的存在启示人们进一步设想在自然界中还可能客观存在着一些其他反映粒子性质的量子数。

奇异粒子

科学家们开始借助大型加速器和探测仪器进行基本粒子的研究。1951年，费米等人首先发现了π介子的共振态粒子。从60年代起相继发现了大批共振态粒子。它们寿命极短（10~10秒），可看作是通过强相互作用而衰变的不稳定粒子。

在结束第三阶段之前，就开始了研究基本粒子的第四阶段并延续至今。这阶段的标志是对已积累的资料进行分类的几次成功尝试。这一阶段中的主要事件有：SU（3）对称的创造和

超子的预言，三夸克模型的创立，中性流和桀粒子的发现，四夸克模型的创立，量子色动力学的发展，弱相互作用和电磁相互作用统一理论的创造，

介子和重轻子的发现以及胶子的发现。

基本粒子分为两类。一种是具有半整数自旋的费米子，遵循泡利（Pauli）不相容原理，即两个费米子不能处于相同的量子态。另一种称为玻色子，具有整数自旋，并且与费米子有不同的物理性质。

费米子被进一步分为两类：轻子和夸克，分别参与不同类型的相互作用。轻子和夸克又都各自存在三代，代与代的区别仅在于质量不同。第一代的费米子是宇宙中最常见的，上夸克、下夸克、电子、电子中微子。上夸克和下夸克存在于核子中；电子围绕着核子，共同构成原子：电子中微子则在恒星中大量产生。第二代包括桑夸克、奇异夸克、缪子和缪子中微子。第三代包括顶夸克、底夸克、陶子和陶子中微子，其中顶夸克是已知的最重的基本粒子。质量：基于对基本费米子质量的测量，下表中将三代夸克与轻子依次排成三列四行，并分别用l和n 表示基本费米子的列数和行数，三代基本费米子中较重的夸克和轻子分别排在n=1行和n=2 行，较轻的三代夸克和轻子分别排在n=3行和n=4行。经过排列后，在 l=1 列，基本费米子从上到下分别为下夸克、电子、上夸克、电子中微子；在 l=2 列，基本费米子从上到下分别为粲夸克、µ 子、奇夸克、µ 子中微子；在 l=3 列，基本费米子从上到下分别为顶夸克、τ 子、底夸克、τ子中微子。下表中括号内为对应的夸克或轻子的质量，以MeV 为单位。在表中可见，从 n=1行到 n=3 行，基本费米子的质量从左到右依次增大，且呈现一种周期性，这暗示着三代中微子也应该遵循同样的分布规律。

基本费米子的质量分布

反粒子：无论是费米子还是玻色子都存在反粒子，但是只有费米子要满足费米子数守恒的规则。对费米子我们定义其费米子数为+1，对反费米子则定义其费米子数为-1，如此可发现在一个反应过程中费米子数总是守恒的。因此费米子总是以费米子-反费米子对的形式被产生和湮灭，比如ee或Q

。比如，一束

光子，如果其能量E>2mc，其中m是电子质量，则可以产生一对ee（此过程需要一个原子，以保证动量守恒），而一对ee也可以湮灭成

光子，另一例子是，当大质量的恒星变成超新星时，费米子数守恒的过程e+e→

+

将变得极为普遍。夸克：强子是参与强相互作用的微观粒子，按其自旋的不同分为两大类：自旋为半整数的统称为重子，如质子、中子和各种超子；自旋为整数的统称为介子，如π介子、K介子等。已发现的数百种粒子中绝大部分是强子或强子的共振态。共振态即较稳定的强子激发态，共振态的存在说明强子是有内部结构的，实验也说明了这一点。

量子场论表明，粒子之间的基本相互作用是通过交换某种粒子来传递的，即基本相互作用都是由媒介粒子传递的，这类媒介粒子统称为规范玻色子。下表中列出了规范玻色子的种类以及它们的主要性质。

规范玻色子

胶子：是传递夸克之间色相互作用的媒介粒子，是“色场”的量子。两个不同色状态的夸克通过胶子紧密地结合在一起，所以胶子必定是双色的。分析表明，胶子只可能有8种色状态；所以在上表标出的胶子的个数为8。电弱玻色子：光子

和中间玻色子（W及Z）分别是电磁相互作用和弱相互作用的媒介子，在电弱统一理论中，这四种粒子都是电弱作用的场量子，它们都是零质量的粒子。但是由于对称性的破缺，只有一种媒介子（

光子)保持了零质量，而其他三种获得了巨大的质量。希格斯玻色子：标准模型认为，所有基本粒子原本都没有质量，它们的质量由希格斯玻色子赋予。1964年，英国物理学家希格斯和比利时物理学家恩格勒特预测了希格斯玻色子的存在，直到2012年希格斯玻色子才真正被发现，两人也因此获得了2013年的诺贝尔物理学奖。

表征基本粒子特性的物理量主要有：质量：每个基本粒子都有一个固定的质量，不同的基本粒子有不同的质量，以电子的质量m_e为单位来表示基本粒子的质量，如质子的质量等于1836m_e。电荷：基本粒子中有的带电，有的是中性的，凡是带电的基本粒子所带的电荷量的绝对值绝大多数都和电子所带的电荷的绝对值相等，所以通常将电子所带电荷的绝对值作为单位，称为1个电子电荷，例如质子的电荷是+1,中子的电荷是0。自旋：象电子一样，每种基本粒子都有内禀的自旋运动，基本粒子的自旋总是整数或半整数，如电子、质子、中子的自旋都等于1/2，光子的自旋等于1。寿命：许多基本粒子都是不稳定的，它们会衰变为其它粒子，每个粒子都有一个表征它的衰变快慢的量，这就是它的平均寿命，简称寿命，在已发现的近400种基本粒子中，处于基态的粒子有30多种，它们是稳定的或寿命在10秒以上，其余绝大多数的粒子是共振态粒子，所谓共振态，是指基本粒子互相碰撞时，二、三个粒子短时间结合在一起成为一个粒子的状态，这种状态的粒子寿命极短，约在10～10秒范围内。宇称：这是表征粒子波函数镜象对称性质的量，除轻子外，每一种基本粒子都规定了一个确定的内禀宇称值+1或-1，+1对应的称为偶宇称，-1对应的称为奇宇称，各种介子均具有奇宇称，重子均具有偶宇称，而一个系统的总宇称等于系统的轨道宇称与各粒子内禀宇称的乘积。奇异数：它是表征某些基本粒子由强相互作用产生，弱相互作用衰变的奇异性质的量子数。奇异数不为零的粒子称为奇异粒子。如K介子的奇异数为1，

超子的奇异数为－1，它们都是奇异粒子。同位旋及同位旋分量：这是为表征强相互作用的电荷无关性而引入的，通常用同位旋第三分量I₃来描述粒子不同的荷电状态，例如核子（质子和中子)间的核力作用是强相互作用,具有电荷无关性,但质子带正电，中子不带电，所以它们的同位旋均为

，但同位旋第三分量不同，质子的

，中子的

。重子数：所有的重子都具有重子数1，非重子的重子数为0。轻子数：所有的轻子都具有轻子数1，非轻子的轻子数为0。

所有的基本粒子之间都有引力相互作用，但是基本粒子之间的引力作用太弱，通常不考虑。除了引力作用外，基本粒子之间还有强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用。强相互作用只存在于夸克和胶子之间，夸克之间通过交换胶子发生强相互作用，胶子之间也可以发生强相互作用。就像带有电荷的粒子之间通过交换光子发生作用一样，夸克也带有某种荷，称之为色荷。电荷只有一种，而色荷却有三种，分别称为红色、黄色、蓝色。像电荷一样，色荷也有正、负之分，红色的反荷是反红色，黄色的反荷是反黄色，蓝色的反荷是反蓝色。弱相互作用、电磁作用、强相互作用的强度差别很大，但在高能情况下，它们的相互作用强度将趋于相同。粒子物理学家们已经建立起了一个统一电磁相互作用和弱相互作用的理论。

对称性和守恒定律也是基本粒子的性质之一。实验表明，在粒子运动、衰变、转化（包括产生和湮灭）等过程中，系统仍满足动量守恒、角动量守恒、能量守恒和电荷守恒定律。此外，还有一些特殊的守恒定律，如重子数守恒、轻子数守恒、同位旋守恒、奇异数守恒等。

场和实物之间存在着不可分割的联系，每一种场都有与之相联系的基本粒子。例如，与电磁场相应的粒子是光子，与强相互作用场相应的是介子，与弱相互作用场相应的中介粒子是中间玻色子。中间玻色子共有三种：W、Z、粒子，都在20世纪80年代得到实验证实。场正是通过交换有关中介粒子实现场与粒子之间的相互作用的。场和实物的统一性还表现在实物粒子和场在一定条件下可以相互转化。例如，电子和正电子相撞击会发生湮灭，转化为光子，即转化为电磁场。反之，在原子核附近的核场中，如果电磁场能量足够大，也可以生成正负电子对。

基本粒子内部都有复杂的结构。科学家在基本粒子内部建立了强子结构模型、坂田模型、夸克模型、层子模型。

1949年，费米和杨振宁提出了第一个强子结构模型，即费米—杨振宁模型。他们认为，质子（P）和中子（n）是基本的，而π介子（π、π、π）则是由中子、质子及其反粒子组成的。这个模型的基础是质子和中子这两种粒子。

当奇异粒子被发现后，费米一杨振宁模型遇到了困难，因为质子和中子都不是奇异粒子，不可能由它们构成奇异粒子。为了能把奇异粒子也包括进来，日本物理学家坂田昌一推广了费米——杨振宁模型，他认为，质子、中子和

粒子这三种粒子是最基本的，其他强子都是由它们及其反粒子组成的，这就是1956年提出的坂田模型。坂田把质子（P)中子（n）和超子（

）作为组成强子的3种粒子。人们常把这3种粒子统称为坂田粒子。坂田模型对于基本粒子的研究起着重要的促进和开创性作用，从而为发展夸克模型奠定了思想基础。

1964年，美国物理学家盖尔曼等人分析了重子和介子的对称性质，提出了著名的夸克模型。盖尔曼提出了三种类型的夸克（u、d、S）和反夸克（u、d、S）。这一模型能很好地解释重子和介子的性质，预言

超子的存在。盖尔曼把基本粒子按照规定被排列成3个一组、8个一组或10个一组。当把所有已知的粒子分到各组后，除了3个粒子组的位置全部空着外，在10个重粒子组也有1个位置空着。盖尔曼提出了这一空缺粒子的存在，并预先将它命名为

粒子。根据理论盖尔曼预言了

粒子的参数。

夸克模型

1965年中国北京基本粒子理论组提出“层子模型”，从结构的角度来研究重子和介子的衰变和转化现象。认为重子、介子都是由更为基本的层子、反层子所组成，重子、介子的相互作用归结为它们内部的层子的相互作用。还提出了组成重子、介子的层子波函数，并假定量子场论对层子也适用。这一模型对重子、介子的各种相互作用，特别对弱相互作用和电磁相互作用的衰变，进行了大量的计算，提出了一个些预言，其中绝大部分计算和预言同当时实验结果相吻合。夸克模型和层子模型的提出，标志着人类对于自然界的微观物质结构的认识进入到一个更新的阶段。

与标准模型相适应的基本粒子间的相互作用理论称为大统一理论，它力图把弱、电、强和引力四种相互作用统一起来，构成统一的相互作用理论。弱、电统一理论已获得了相当的成功。该理论把弱作用和电磁作用看成是电弱统一作用的二种形式，就如电磁理论中把电力和磁力看成是电磁力的两种表现形式一样。参与弱作用的基元费米子通过交换规范玻色子而发生作用。电弱统一理论预言存在4个规范玻色子，除光子外,它们就是W及Z，它们的静止质量差不多是质子的100倍。1973年强作用的规范理论获得了很大发展,称为量子色动力学理论（简称QCD)，它与弱、电统一理论相似，以中间玻色子一胶子传递强作用。理论假设存在8种胶子，每个胶子的静质量为零，以光速传播，胶子带一色荷和一反色荷，夸克通过吸收和发射胶子而发生作用，同时也改变色态。这种作用是一种非线性效应，它使色相互作用的耦合常数会随交换的能量动量的增大而减小，正是这种耦合常数的变化使得高能夸克间的相互作用在r→0时成为渐近自由的，而当r→

时为禁闭的。

超对称粒子是标准模型中没有设想到的未知粒子。超对称理论认为，所有基本粒子都拥有“镜像”粒子（超对称伙伴），但目前还没有在自然界中发现这种现象。

对处于不同环境的粒子的状态，量子理论给出不同的虚拟态，这些虚拟态粒子被称为量子粒子。（1）声子：固体中微粒的运动根据量子理论有两种状态，即机械振动和波动。机械振动可以理解为声学的，而波动则可以理解为光学的。这样可以将处在机械振动中的粒子称为声子，以区别于非量子态中的实体粒子。（2）等离子体：在高温环境中气化的分子或原子可以电离为电子和离子气体。从一定意义上说，等离子体是由其动能大于粒子间相互作用势能的带电粒子所组成的实体。（3）极化子：被称作极化子的量子在量子电化学中很重要。正如声子对应固体晶格的振动一样，极化与局部电荷导致空穴振动的相互作用能有关。晶体格子内的电子同该格子的离子或原子相互作用，并使格子变形（电子-声子偶合）。格子中电子的快速运动及电子周围电极化介质结合在一起，称作“极化子”。极化子说明一个电子有效质量往往大于它的真实质量。这是因为当电子运动时，带电离子也在运动，这样，可以想象电子和离子是纠缠在一起运动的。（4）激子：激子是由被束缚的电子-空穴对组成的。例如半导体中的电子同空穴相互作用，如同电子与核子的相互作用一样。与能量传递讨论有关的激子的另一个定义是离域电子的激发态。其中，激发能是借助于同相邻原子或分子的静电微扰相互作用，从一个原子或分子传递到另一个远程原子。

超弦理论认为，自然界中最基本的构成单位并不是点状的粒子，而是长度极小的一维“弦”。弦向各个方向（维度）振动，就能变成各种各样的基本粒子。

超弦理论

超弦理论

在这个理论中，夸克和电子不再是基本构成单元了。从两个粒子家族出发的，一个是里肖恩家族，一个是反里肖恩家族。在里肖恩家族中，有一个带有三分之一电荷的粒子，称为“凸弧”；另一个中性的粒子，称为“凹波弧”。相应的情况，在反里肖恩家族中，有“反凸弧”带有负三分之一的电荷“反凹波弧”是中性的，要构成一个电子，需要使用3个“反凸弧”，构成1个上夸克，需要使用2个“凸弧”和1个“凹波弧”，这样得出的结果，看起来是令人信服的：哈拉里的“里肖恩”智力拼板，能准确地得出像标准模型中那样多的粒子组合的可能性，具体的表示是：标准模型中的24种粒子，是可以归结到是由4个更小的原始粒子组合而成的。

以乏味的质子作为立论的出发点。质子是由被胶子绑定在一起的夸克构成的，胶子负责传递强核力，然而质子大部分的质量不是来自夸克而是来自内部的绑定蕴含的能量。这些色荷的相互作用是强核力在当今宇宙低能状态下的表现。如果在早期宇宙中，类似的机制能够在更高的能量条件下生效，那就可以解释为什么像夸克这样的基本粒子本身就具有质量，而不需要希格斯粒子。这是一个光明的新前景，他们称为“艺彩理论”。但是艺彩理论的数学推导很困难，而且它提出的少数可验证预测也并不怎么符合大型正负电子对撞机的实验结果。在2001年之前，该对撞机一直是欧洲核子研究中心的主要加速器。通过对该理论进行微调，人们缓解了其中的一些问题，但是艺彩理论的光环还是很快就褪去了。

加速子是假设的亚原子粒子，将新发现的中微子质量与推测加速宇宙膨胀的暗能量紧密相连。在这个理论中，中微子受到一种新力的影响，这种力是由它们与加速度子相互作用产生的，导致暗能量。 当宇宙试图将中微子拉开时，就会产生暗能量。加速度子被认为与中微子的相互作用比与中微子的相互作用更少。