本篇文章所探索的,是大家日常生活中看不见摸不到,但是却与我们的生命、生活休戚相关的东西。它们就是——粒子。
标准模型理论(简称SM)是一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。在标准模型理论中,有62种基本粒子。它们主要分为三类:
1夸克(Quark):有3色,6味;还有同样多的反夸克,因此夸克数是3×6×2=36种;
2轻子(Lepton):有6味;正反粒子,故轻子有6×2=12种。这类粒子主要参与弱作用,带电轻子也参与电磁作用,不参与强作用;
前两种基本粒子都是费米子。
3玻色子(Boson):包含规范玻色子,又称规范传播子(Gauge Boson):有8种胶子(Gluon),W±玻色子,Z玻色子,光子,引力子。还有一种希格斯玻色子(Higgs Boson),故有8+2+1+1+1+1=14种。
因此把上面所有种粒子种类数目加起来,是:36+12+14=62,这就是人们常说的62种基本粒子。科学家已经证实:这些粒子最初都来自神秘的宇宙大爆炸!
(来源:搜狗百科)
但是你知道吗?在这些基本粒子中,有两种粒子有着像是来自神话中的神秘别称,它们是————
中微子(轻子)(neutrino)
希格斯玻色子(玻色子)(Higgs boson)
所以,它们为什么有这么奇幻的名字的呢?
(来源:表情家网)
比喻:幽灵粒子
——中微子(轻子)
中微子又译作微中子,是轻子的一种,是组成自然界的最基本的粒子之一,常用符号ν表示。中微子不带电,不参与电磁作用,可自由穿过地球,几乎不与任何物质发生作用,其质量很小(有人认为其质量为0),能以光速进行运动。
(来源:中国化工仪器网)
它,为什么叫“幽灵”?
20世纪初,科学家发现原子核放出一个电子的时候,会带走一些能量,仔细算算,损失的能量比电子带走的能量多,有部分能量丢失了。能量怎么可能凭空消失?这不符合能量守恒定律啊!所以,“较真”的物理学家们开始了一次“寻找那消失的能量”的旅途。
1931年,奥地利物理学家泡利提出一种观点:偷走能量的是一种尚未认识的中性微小粒子,并给这个粒子命名为中微子。中微子不带电,不参与电磁作用,就像一个幽灵在飘荡,很难捕捉,所以有了“幽灵粒子”(Ghost Particle)之称。
它,来自哪里?
距离中微子提出几十年之后的2017年9月,南极洲“冰立方”中微子天文台捕捉到了来自太空的一个高能中微子。科学家分析,这个“落入凡间的精灵”可能源自一个距地球约37.8亿光年的耀变体(Blazar)。耀变体是由星系中央的巨大黑洞吸积大量物质而产生的剧烈天文现象。
它,有什么意义?
宇宙射线是由宇宙中的“爆发事件”抛射出的带电粒子(主要是质子),是自然界中能量最高的粒子。而没有质量、在太空横冲直撞、直线运动的中微子很可能与宇宙射线是伴生的。所以,捕捉到了来自太空的中微子,也许可以为天文学领域的百年谜团提供一个解释方法:由中微子的路径,可以反推出到达地球的宇宙射线的来源。
(来源:NASA)
意外:上帝粒子
——希格斯玻色子(玻色子)
上帝粒子又叫做希格斯玻色子,是所有的62个基本粒子中最后被发现的一个,也是唯一一个没有质量的粒子。它不带电荷、色荷,自旋为零,极不稳定,生成后会立刻衰变。希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。
(来源:中国网)
它,为什么叫“上帝”?
这真真真的是一个意外,就像相宁家的狗子叫“桂花”一样,这个名字没什么特殊意义。1988年,诺贝尔物理学奖获得者利昂·莱德曼写了本科普书,把这种粒子叫做“该死的粒子”(Goddamn Particle),以表达对于它迟迟不出现的焦灼。但出版商觉得难听,“净化”后的名称就成了“上帝粒子”(God Particle)。虽然,许多科学家都不喜欢这一称呼,认为它过分强调了这粒子的重要性,也太宗教化,包括希格斯本人。但是,大浪淘沙的历史长河却把“上帝粒子”这个名字给完好的留存下来了。
它,来自哪里?
1964年,希格斯写了两篇论文,每篇都只有两页长,内容现在被称为希格斯机制(Higgs mechanism),这是一种生成质量的机制,在标准模型里能够使基本粒子获得质量。但是,希格斯机制里却出现一种特殊的情况:用来解释物质的规范场论里,有一种传递短程力的规范玻色子,而且,它没有质量。虽然理论上说得通的,但是这种粒子却始终没有现身。这种粒子的踪迹在哪?直到2012年7月4日,欧洲核子中心宣布大型对撞机上的CMS和ATLAS两个实验组分别探测到疑似希格斯子的新玻色子,2013年3月14日再次发布新闻稿,正式确认了先前探测到的是希格斯子。这时,62种基本粒子被集齐了。
它,有什么意义?
霍金与上帝粒子
PS.希格斯场是什么?
希格斯场是一种遍布宇宙的不可见的能量场,能‘赋予其他粒子质量’。为了向英国政府解释清楚希格斯场,1993年,英国科学部长威廉·瓦多格列佛曾发起一场比赛,让科学家用一页纸的篇幅向他解释希格斯场,获胜者是英国伦敦大学学院的物理学家戴维·米勒。米勒把希格斯场比作一个房间,房间里均匀分散着一大群为政客聚会服务的工作人员。一个无关紧要的人可以不受阻碍地在人群中穿来穿去,然而,如果是时任英国首相撒切尔夫人到场,一定会吸引大量的关注:聚会工作人员会围拢在她周围,减慢她穿行的速度,使她带上某种“质量”。(摘自外星探索:寒冰《上帝粒子是什么,为什么叫上帝粒子》)
读罢,还是不能理解探测和研究微观粒子的意义吗?那相宁就借用哲学的观点来解释:寻找物质、生命本质的过程,总是充满不理解甚至质疑的。好了,能说服自己继续磕研了~~
(来源:百度图片)
参考文献:
[1]李明丽,王涵.从“上帝粒子”到“真理”的追寻——记中国科学院高能物理研究所副研究员梁志均[J].中国科技奖励,2018(11):58-60.
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[3]寒冰.上帝粒子是什么,为什么叫上帝粒子[EB/OL],http://www.ufo-1.cn/article/201604/914.html,2016-04-25.
[4]陈永.标准粒子模型与阳明心学[J].科技经济导刊,2016(18):11-15.
[5]孙秋霞.“幽灵粒子”:超越粒子物理标准模型[J].中国科技奖励,2015(11):24-26.
[6]胡瑶光.希格斯粒子——“上帝粒子”、“幽灵粒子”[J].物理教学,2012,34(09):6-7.
[7]冯诗齐,理查德·韦布,瓦莱丽·贾米森.11个物理难题牵涉的11种基本粒子[J].世界科学,2012(05):12-15+11.