宇宙基本粒子解读

基本粒子知多少陆建隆南京师范大学物理科学与技术学院210097我们生活在地球上，仰观太空，斗转星移；俯察大地，声光电热。面对宇宙万物，有多少人在思考：世界万物是由什么构成的？它们有最小的结构吗？如果有，那是什么呢？粗略地说，世界是由基本粒子组成的。所谓基本粒子，就是我们把它当成整体的东西或者说是构成世界万物的、不能再分割的最小单元。把多种多样的物质看成是由少数几个基本粒子构成，并以此来说明自然界的统一性和多样性，可谓抓住了问题的要害。基本性是个历史的、相对的概念。不同的时代，由于人们认识的不同，基本粒子家族的内容在不断地演变。古希腊和我国的哲学家都提出过“物质是由很少几种“元素”构成的思想”，早在周代，我们的祖先就提出了五行说，即认为万物是由金、木、水、火、土五种物质原料构成；《周易》中有“太极生两仪，两仪成四像，四象生八卦”的哲学思想。太极即世界的本源，两仪是天地，四象是春、夏、秋、冬四季，八卦是天、地、雷、风、水、火、山、泽，由它们衍生出世界万物；战国时的老子说：“道生一、一生二、二生三、三生万物”；古希腊泰勒斯提出“水为万物之本”，亚里士多德认为水、火、空气，土是构成物质的基本元素。虽然这些元素还不是近代科学中的元素，但毕竟是对物质结构和性质初步的、有益的认识。这种观点冲破了“上帝创造万物的宗教迷信的束缚。19世纪初，英国化学家道尔顿提出元素是由非常微小的、看不见的、不能再分割的原子所组成的。这种学说在取得广泛支持的同时也出现了与一些实验不符的矛盾。意大利科学家阿伏加德罗引入了“分子”的概念，并与原子相区别。他认为原子是参加化学反应的最小粒子，分子是游离状态下能够存在的最小粒子。化合物分子由不同元素的原子组成，单质分子由相同元素的原子组成。十九世纪末、二十世纪初，物理学基本完成了它对宏观世界的描写，开始着手向物质结构的更深层次进军。放射性和原子的碰撞，使我们认识到，原子是由原子核和电子组成的；而所有的原子核是由质子和中子组成的，光电效应告诉我们象电磁场这样一种物质形式也可看成是粒子（光子）构成的。许多人以为这已经抓到了构造世界的最小砖块，但是历史表明，这只是人们渴望得到终极真理的一种热切心情罢了，３０年代人们在发现中子、质子后，又发现了正电子；而到５０年代，通过高能加速器，又发现了大批新粒子，数目超过了化学元素的数目，随着人们越来越多的粒子被发现（如图），人们很难相信这些粒子都是基本的。这时对这些粒子进一步研究的一个重要课题就是对粒子进行分类。在粒子物理的发展过程中，提出过不同的分类方案：①按粒子的质量分类：粒子物理发展的早期，发现粒子的性质和它们的质量有关，于是把粒子分为光子(质量为零)、轻子(质量较轻的粒子)、介子(质量介于轻子和重子之间的粒子)、重子(质量大于等于质子质量的粒子)。后来发现，表征粒子性质的物理量很多，质量只是其中之一，人们逐步放弃了这种分类方法，但所用的名称：轻子、介子、重子依然使用，只是物理意义已大大扩展，甚至和原意完全不同，如重轻子τ子，它的质量是质子的两倍。②另一种分类方法是按粒子的寿命长短把粒子分为稳定粒子和不稳定粒子。平均寿命在10-20～10-24s的粒子称为不稳定粒子，平均寿命大于10-18s的粒子称为稳定粒子。③粒子还可分为粒子和反粒子两大类。现在被公认的科学的分类方法是按粒子参与相互作用类型来分的。粒子共参与四种相互作用：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。由于引力相互作用和前三种相比太弱，因此在粒子物理学中不考虑它。按粒子参与的相互作用类型，把粒子分为以下三类。①轻子：轻子主要参与弱作用，带电轻子也参与电磁作用，不参与强作用。下表给出了目前发现的轻子。代粒子符号电荷（e）质量寿命（秒）发现时间1电子e-10.511Mev/c2稳定1897电子中微子νe07eV/c2稳定19552μ子μ-1106MeV/c22.2×10-61936μ型中微子νμ00.27MeV/c2稳定19623τ子τ-11776MeV/c22.9×10-131977τ型中微子ντ035MeV/c2稳定2000②强子：直接参与强作用的粒子统称为强子。强子除参与强相互作用外，也参与弱作用，带电强子还参与电磁相互作用。强子又分为介子和重子两类：自旋为整数或零的强子称为介：子，如：丌、K、等，自旋为半奇数的强子称为重子，如：p、n、∑、A等；而强子又是有夸克组成的，下表给出了目前发现的所有夸克。代粒子电荷(e)能量────────────────1上夸克u+2/35.6MeV下夸克d-1/39.9MeV2粲夸克c+2/31350MeV奇异夸克s-1/3199MeV3顶夸克t+2/3180GeV底夸克b-1/35000MeV③规范玻色子现代物理学认为，一切相互作用都是近距的，规范玻色子是传递相互作用的中介者。下表给出了四类规范玻色子，其中传递引力作用的引力子、传递夸克之间强相互作用作用的胶子还没有发现。传递相互作用的规范玻色子名称符号传递的相互作用质量自旋电荷光子γ电磁010弱中间W±弱81.8GeV1±1玻色子Z0弱92.6GeV10胶子(g)强(0)(1)0引力子引力(0)(2)0以上三个表就是今天我们所认识到的“基本粒子”。