elementary particles 基本粒子

宇宙中所有物质的基本组成物。在 1898 年 J．J．汤姆生发现电子以前，人们以为原子是物质的基本组成物。这一发现以及 1914 年卢瑟福发现原子核和质子，明显地知道原子本身并不是基本粒子，意思是它们还有内部结构。1932 年查德威克对中子的发现使原子模型更为完整。此模型以含有质子和中子的原子核为基础，周围有足够的电子来平衡原子核电荷。但是这模型并不解释原子核的高度稳定性，很明显原子核不会因电磁相互作用而结合在一起，因为中子没有电荷。1935 年汤川秀树认为，使原子核中的粒子结合在一起的交互力涉及到称为介子的短寿命粒子，它从质子跳迁到中子再跳回。这一概念导致发现强相互作用，与弱相互作用一起使全部基本相互作用(fundamental interactions)达到四种。它还导致发现约200 种短寿命的‘基本’粒子，其中某些比另一些明显地更为基本。在现行分类中，认为粒子分为两大类：轻子(leptons，有电子、μ介子、中微子、τ重轻子)，它们或是以电磁相互作用，或是以弱相互作用的方式而相互作用，且无明显的内部结构；强子(hadrons，有核子、π分子等)，它们以强相互作用的方式相互作用，且有复杂的内部结构。

强子结构目前基于英雷盖尔-曼因在 1963 年提出的夸克概念。按此模型，强子分为重子(衰变为质子)和分子(衰变为轻子和光子)。重子含有三种夸克，分子含有两种夸克(一个夸克和一个反夸克)。因而在夸克理论中， 轻子和夸克才是真正的基本粒子。不像电子和质子具有完全相等而相反的电荷那样，夸克具有的电荷是电子电荷的分数(电子电荷的＋2／3 或－1／ 3)。夸克出现在六种风味(与食品味道并无关联)中：上乘(u；＋2／3 电荷)、下乘(d；-1／3)、迷人(c；＋2／3)、陌生(s；－1／3)、顶层(t；＋ 2／3)和底层(b；－1／3)。顶层存在的论据还未完全建立。作为重子的质子含有三个夸克 uud(2／3＋2／3-1／3=1)，中子含有

为了避免与泡利不相容原理(Pauli exclusion principle)矛盾，已证实必须在六种风味上增加彩色电荷的概念。每种风味的夸克存在于红、绿、蓝三原色中，每种反夸克则亦有互补的反色青、绛红、黄。因此，共有 18

种夸克和 18 种反夸克，组合成强子的原则是，色彩的组合应该总是产生白色，不管是将三原色混合起来产生重子也好，或者是将一种原色和它的互补反色混合起来产生分子也好。在本领域采用‘色彩’一词，意味着与可见色彩有相似之处，并非粒子具有色彩。支配这些组合的理论是按照量子电动力学，称为量子色彩动力学。

夸克间的强相互作用被想像为由八种无电荷粒子的相互转换所产生， 这些粒子没有静质量，称为胶子(因为它们能使夸克胶结在一起)。像光子在轻子间执行类似功能那样，虽然胶子没有电荷，但是确有彩色电荷。每个胶子带有一个色彩和一个反色彩。计有九个色彩—反色彩对，但有一对因其等效于白色而除外，在相互作用时，夸克可改变其色彩，但所有的色彩变化伴随有一个胶子发射，此胶子旋即被另一夸克吸收，此夸克色彩的变化抵消了原先的变化。举例言之，如一红色夸克变为绿色，将发射一个具有红＋反绿色彩的胶子。当此胶子被一绿色夸克吸收时，夸克的绿色和胶子的反绿色就互相消除而使这第二个夸克带有从胶子那儿获得的红色。净变化为零，因为相互作用的结果仍旧有一个绿夸克和红夸克。因此，即使夸克的色彩从一处移到另一处，所有强子仍保持白色，可将保持这种状态所需的相互作用系统想象成是强力。

复杂的整个夸克理论现已由间接证据充分地建立起来，但由于不管是夸克还是胶子都还未在实验中识别，夸克理论并不声称已被直接证实。个别夸克可能有比强子更为大而重的奇特性质，强子通常就很大而重(强子如被分离，将会有巨大的势能)，某些理论家认为夸克由于上述结果是根本不可能单独存在的。然而某些实验家已报导了一些结果，这些结果与单独夸克会具有非整电荷存在相一致。