§17 标准模型及粒子的分类

60 年代以来，人们关于粒子世界物质结构和运动的基本规律的认识有了重大的突破，形成了粒子物理的标准模型。

标准模型认为，微观物质的基本相互作用有 3 种，即色相互作用、电弱相互作用和引力相互作用。

色相互作用是一种规范相互作用，具有很高的对称性它的实验表现为粒子间的强相互作用。色相互作用的媒介粒子是胶子，有 8 种，都没有静止质量。

电弱相互作用也是规范相互作用，具有比较高的对称性质，电弱相互作用的媒介粒子有 4 种，都没有质量。但是在能量低于 250GeV 的范围，这种对称性自发地破缺了，统一的电弱相互作用分解成为性质极不相同的电磁相互作用和弱相互作用。电磁相互作用的媒介粒子，光子仍然没有静止质量，然而弱相互作用的 3 种媒介粒子都获得了很大的质量。

引力相互作用，普遍存在于所有物质粒子之间，它的媒介粒子没有静止质量。

在已发现的 452 种粒子中，规范玻色子和轻子还没有被观察到有内部结构，还可以被看作是“点”粒子。强子是由夸克、反夸克和胶子所组成的复合粒子，强子和规范玻色子以及轻子不属于同一层次。现在还没有观察到夸克和胶子有内部结构，它们也还可以被看作是“点”粒子，是属于和规范玻色子以及轻子同一层次的粒子。如果把质子放大到一个足球场那样大，组成质子的夸克和胶子就都比足球还要小。由此可见，强子内部的结构也是很稀松的，物质粒子所占的空间也只是强子所占空间的很小的一部分。

在现有对粒子物理世界的认识的基础上，可以对现在认识的“点”粒子进行分类，即按标准模型对粒子进行分类。在标准模型中，粒子可以分成 3 大类：

1. 规范玻色子：3 种基本相互作用的媒介粒子，共 13 种，性质如下表。

实验上没有观察到自由状态下的胶子，但胶子在粒子相互作用过程中的存在已经有充分的实验验证。由于引力相互作用太弱，实验上直接观察放出或吸收引力子非常困难，现在还没有引力子存在的直接实验证据。许多年来， 天体物理学家做了许多观测来探究是否有远方星体运动所发出的引力波存在，不过迄今为止还没有得到肯定的结果。

1. 费米子：自旋量子数为 J=1/2 的粒子，包括轻子和夸克。

按照电弱统一理论，自然界的费米子必须是成组地存在的，每一组费米子的电荷之和等于零。一组费米子称为一“代”费米子，其中包括一个中微子，一个带电轻子，两味夸克。其中一个夸克带 2/3 单位电荷，一个夸克带

-1/3 单位电荷。轻子不带色荷，不直接参与色相互作用，夸克带色荷，可以直接参与色相互作用，每味夸克有 3 种色荷状态。考虑到夸克有 3 种色荷状

态，一代费米子的电荷之和确实为零。现在已知自然界至少存在 3 代费米子， 它们的性质如下表。

这样，由于每种夸克有 3 种色状态，每一代费米子包含有 8 种粒子，3

代共有 24 种费米子，再加上它们的反粒子，共有 48 种费米子。

1. 希格斯（Higgs）粒子：自旋量子数为零的粒子。

按照电弱统一理论，电磁相互作用和弱相互作用本来是某种统一的电弱相互作用，具有比较高的对称性质，电弱相互作用的 4 种媒介粒子都没有质量，所有的费米子也都没有质量。但是在能量较低的范围，这种对称性自发地破缺了，统一的电弱相互作用分解成为性质极不相同的电磁相互作用和弱相互作用。同时除了中微子外，所有的费米子都获得了质量。电弱相互作用的对称性自发破缺的实现要求自然界存在一种自旋量子数为零的特殊的粒子，称为希格斯粒子。在实现电弱相互作用的对称性自发破缺后，自然界至少应有一种中性的希格斯粒子存在。理论对于这个中性希格斯粒子的所有的相互作用性质和运动行为都有精确的描绘和预言，但对它的质量却完全没有给出任何预言。现在实验上还没有发现这种希格斯粒子，从已有的实验结果来看，希格斯粒子的质量应大于 58.4GeV。从实验上去寻找希格斯粒子是当前粒子物理实验研究的中心课题之一。

按照现在对粒子世界结构规律的认识，按照标准模型，粒子世界是由 62

种粒子构成，其中有 60 种的存在已被实验所证实了，还有 2 种现在实验上还没有观察到其存在的证据。