我是斜杠青年，一個熱愛自然科學(xué)的“雜食性”學(xué)者！

粒子物理學(xué)標準模型指南。

通過探測器的橫截面圖形，顯示了在搜索希格斯玻色子期間記錄的眾多粒子碰撞事件之一。來源：科學(xué)共享圖庫

公元前4世紀之交，希臘哲學(xué)家德謨克里特斯聞到了烘焙的味道，認為小塊面包一定漂浮在空氣中，進入他的鼻子里。他稱這些小點為“原子”（意為“不可切割”），并將它們想象成微小的球形球。

但原子不是小小的固體球體。它們由更小的位組成，稱為粒子。

科學(xué)家對這些粒子及其行為支配力的最佳描述被稱為粒子物理學(xué)標準模型，或只是“標準模型”。

標準模型對自然界的所有粒子進行分類，就像元素周期表對元素進行分類一樣。該理論被稱為標準模型，因為它非常成功，已經(jīng)成為“標準”。

然而，還有一些糾結(jié)需要解決（以及一些驚人的遺漏）。這就是為什么它有時被稱為“幾乎萬物理論”。

這一切是如何開始的？

早在20世紀初，科學(xué)家就認為自然界中只有三種基本粒子：質(zhì)子和中子，它們構(gòu)成了原子核，以及圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子。

但在20世紀50年代和60年代，物理學(xué)家開始將這些粒子粉碎在一起，其中一些粒子破裂了。事實證明，質(zhì)子和中子里面有更小的顆粒。

發(fā)現(xiàn)了數(shù)十種新粒子——有一段時間，沒有人能解釋它們。物理學(xué)家稱其為“粒子動物園”。

在20世紀70年代，Murray Gell-Mann等物理學(xué)家在混亂中找到了秩序。他們采取的步驟類似于俄羅斯化學(xué)家德米特里·門捷列夫為在他的元素周期表中找到化學(xué)元素的順序而采取的步驟。

粒子的新順序解釋了新發(fā)現(xiàn)粒子的許多特性，并正確預(yù)測了一些新特性。

這17個基本粒子構(gòu)成了粒子物理學(xué)的標準模型。來源：科學(xué)共享圖庫

下面帶大家相互認識

標準模型的粒子組成了一個大家族。你的第一個介紹可能令人生畏，有點像參加一個與你從未聽說過的遠親的聚會。無論這些表親多么奇怪，重要的是要記住，他們都是相互關(guān)聯(lián)的。

基礎(chǔ)知識

Gell-Mann和其他人將粒子分為兩大類：費米子和玻色子。

費米子，如電子，構(gòu)成了我們稱之為物質(zhì)的東西。玻色子，如光子，傳遞力。

費米子再次被細分為兩種粒子，這取決于它們感受到的力。這些是夸克和輕子（見下文）。

自然力量

粒子通過四種力相互通信：電磁、強力、弱力和重力。

標準模型描述了前三個（重力在標準模型中沒有特征，如下所述）。

不同的粒子通過不同的力量進行交流，類似于人們用不同語言交流的方式。例如，只有夸克說“膠子”。而電子可以說“光子”以及“W玻色子”和“Z玻色子”。

電磁學(xué)是將電子固定在原子中的力。它由光子通信。

強力使原子核保持在一起。沒有它，宇宙中的每個原子都會自發(fā)爆炸。它由膠子交流。

弱力會導(dǎo)致放射性衰變。它由W和Z玻色子傳輸。

基本粒子

所有物質(zhì)都由兩種類型的粒子組成，稱為夸克和輕子。

夸克：（圖中的紫色顆粒）有六種“味道”，都有奇怪的名字?？吹剿麄兂蓪Τ蓪υ烊耸怯杏玫?。這些是“向上”和“向下”（第一代）、“魅力”和“奇怪”（第二代）以及“頂部”和“底部”（第三代）。

只有上夸克和下夸克在日常生活中很重要，因為它們制造質(zhì)子和中子。

其他人只制造“異國情調(diào)”物質(zhì)，這太不穩(wěn)定了，無法形成原子。物理學(xué)家可以在粒子加速器中產(chǎn)生外來物質(zhì)，但它通常只持續(xù)一小部分秒，然后衰變。

輕子：有六個輕子，其中最著名的是電子，這是一個帶有負電荷的微小基本粒子。

muon（第二代）和tau（第三代）粒子就像電子的較胖版本。它們也有負電荷，但它們太不穩(wěn)定，無法在普通物質(zhì)中發(fā)揮作用。

每個粒子都有一個相應(yīng)的中微子，沒有電荷。

中微子值得特別一提，因為它們可能是標準模型中所有粒子中最不為人知的。

它們速度快，但只能通過弱力相互作用，這意味著它們可以很容易地直接穿過行星。它們是在核反應(yīng)中產(chǎn)生的，例如那些為太陽核心提供動力的反應(yīng)。

強子：復(fù)合粒子

現(xiàn)在我們知道了自然界的基本粒子，我們可以開始以不同的方式將它們堆疊在一起，以制造更大的粒子。

最重要的復(fù)合粒子是由三個夸克組成的重子。質(zhì)子和中子都是重子。

歐洲核研究組織（CERN）最大的粒子對撞機將質(zhì)子粉碎在一起。因為質(zhì)子是一種強子，所以它被稱為大型強子對撞機或LHC。

Antimatter：雙倍還是什么都沒有？

據(jù)我們所知，所有夸克和輕子都有雙反物質(zhì)粒子。反物質(zhì)就像物質(zhì)，只是它有相反的電荷。例如，電子的對應(yīng)物質(zhì)量完全相同，除非有正電荷而不是負電荷。當物質(zhì)粒子遇到其反物質(zhì)雙胞胎時，它們都會在一陣純能量中湮滅。

反物質(zhì)在宇宙中非常罕見，盡管它在技術(shù)中確實發(fā)揮著一些重要作用。例如，正電子發(fā)射斷層掃描儀（PET）使用正電子的湮滅來查看體內(nèi)。

物理學(xué)的偉大奧秘之一是為什么宇宙幾乎完全由物質(zhì)構(gòu)成。許多粒子物理學(xué)家正在努力回答這個問題。

原子：復(fù)合材料

Democritus嗅到的面包僅由第一代基本顆粒制成。

上夸克和下夸克通過強力結(jié)合在一起，形成質(zhì)子和中子，強力也將它們粘在一起，形成原子核。

電子以量子力學(xué)確定的排列繞原子核運行（有關(guān)終端混淆，請參閱引物量子物理學(xué)）。

希格斯：神粒子

你可能注意到粒子表右側(cè)的孤獨者——希格斯玻色子。希格斯是一種特殊的粒子，它使其他基本粒子的質(zhì)量。

太空中到處都存在一個領(lǐng)域。當粒子在太空中移動時，它們往往會撞到這個領(lǐng)域，這種相互作用會減慢它們的速度（類似于在水中移動比空氣更困難）。這種相互作用使基本粒子質(zhì)量變大。

一些粒子，如光子和膠子，不與希格斯場相互作用，因此是無質(zhì)量的。

正如光子傳達電磁力一樣，希格斯玻色子也通信希格斯場。

希格斯玻色子是一個理論粒子，直到2013年歐洲核子研究組織宣布它終于被發(fā)現(xiàn)了，盡管科學(xué)家仍在發(fā)現(xiàn)它的特性。

缺少什么？

地球引力

標準模型中最大的漏洞是缺乏重力。自然界的第四種力量根本不適合目前的畫面。

與其他力相比，重力也非常弱（例如，強力比重力強100,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000倍）。

一些物理學(xué)家認為，引力也由一種稱為引力子的粒子傳播，但到目前為止，還沒有證據(jù)表明這種粒子存在。

中微子質(zhì)量

與所有其他粒子相比，中微子是如此之小，以至于它真的需要解釋。中微子可能不像其他粒子那樣從希格斯獲得質(zhì)量。

暗物質(zhì)：對于觀察宇宙，它看起來很大一部分是由暗物質(zhì)制成的——這是一種與常規(guī)物質(zhì)不相互作用的新型物質(zhì)，因此可能完全沒有從標準模型中消失。

超對稱

一些物理學(xué)家正在尋找標準模型的擴展來解釋這些謎團。超對稱性是一個擴展，每個粒子都有另一個質(zhì)量更高的孿生。

其中一些粒子與普通物質(zhì)的相互作用非常弱，因此可能是暗物質(zhì)的良好候選者。