一篇文章读懂！中微子、夸克、轻子、希格斯粒子都是什么粒子？

狄拉克。图片来自网络

我们都知道，最简单的二次方程x^2=A有两个解，一个是x=根号A，另一个是x=负根号A。同样，电子的相对论性方程中出现了能量的平方E2，这样求解电子能量E时就会得出两个解：一个正的，一个负的。

狄拉克并没有想当然地把负能量当作不合理的结果舍去，他承认了负能量的存在。要知道，负能量是一个很奇怪的东西。假如说一辆汽车具有负能量，那么踩刹车反而会让它加速，而踩油门却会让它慢下来！

当时的物理学家们都对负能量持怀疑态度，海森堡称这是“现代物理学中最悲哀的一章”。

面对质疑，狄拉克并没有放弃，经过仔细思考，他提出了一个大胆的假设。他指出：

“以往人们把真空想像成一无所有的空间。现在看来，我们必须用一种新的真空观念来取代旧观念。在这种新理论中，需要把真空描写为具有最低能量的一个空间区域，这就要求整个负能区都被电子占据着。”

按狄拉克的观点，真空中有无穷多个被电子填满的负能量位置，真空就像是由负能量电子组成的汪洋大海（后来人们称为“狄拉克之海”）。

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可是在我们的世界中所有这些位置都被电子填满了，负能量位置被均匀地填满对我们来说是完全察觉不到的，因此检测不到任何负能量。可是，如果一个负能量的电子被扰动，电子从负能级上被激发出来，留下的位置就变为一个“空穴”，这样，一个空穴会表现为负能量不足和负电荷不足。负能量不足就表现为正能量，负电荷的不足就表现为正电荷。

1931 年，狄拉克提出：

“一个空穴，如果存在的话，就是一种实验物理还不知道的新粒子，它与电子的质量相同而所带的电荷相反。我们可以称这样的粒子为正电子。”

正电子就是反电子，狄拉克这一观点宣告了反粒子观念的诞生。

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狄拉克不光提出反电子的概念，他还大胆地把反粒子的概念扩展到其他粒子。他指出：

“我认为负质子也可能存在，虽然该理论还没有那么明确，但在正负电荷之间应该有种彻底而完美的对称性。而且，如果这在自然界是一种真正基本的对称性，那么任何一种粒子的电荷应该都有可能反过来。”

狄拉克并没有等太久就等到了他的正电子。

当时已经发明了云室，在云室里人们可以记录下单个原子和粒子的轨迹。1932 年，美国物理学家卡尔·安德森使用云室从宇宙射线中发现了电子的反粒子——正电子。

原子剧烈碰撞而产生的电子−正电子对在云室中留下的轨迹，它们在磁场中的轨迹刚好相反。在粒子反应中如果有足够的能量使动量守恒并转化为质量，就能成对产生正反粒子对。

图17-1 电子- 正电子对在云室中留下的轨迹

正电子的发现引发了科学家们新的探索之旅。1955 年，反质子在美国的一家实验室中被发现，其后人们又发现了反中子。到20 世纪60 年代，基本粒子中的反粒子差不多全被人们找到了。

狄拉克获得了1933 年的诺贝尔物理学奖。按照惯例，在斯德哥尔摩瑞典皇家学院接受诺贝尔奖时，获奖人应做一个简短的演讲。狄拉克在接受他的奖金时说：

“地球中所包含的负电子和正质子占多数，我们更应该把这看作是一种偶然现象。对其他星球很可能是另一番情景，那些星球有可能主要是由正电子和负质子构成的。实际上，有可能存在每种方式各构成一半的星球……而且可能没办法区分它们。”

现在我们知道，对每一个粒子而言，都存在着与其具有相同的引力性质，但带着相反符号荷（电荷与核力荷）的反粒子。粒子和反粒子碰撞在一起，就湮灭而产生纯粹的能量闪光。

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反物质是反粒子概念的延伸，反物质是由反粒子构成的物质。反物质是物质的“镜像”形式。

1995 年，欧洲核子研究中心的科学家在世界上制成了第一批反物质——反氢原子。科学家利用加速器，将速度极高的负质子流射向氙原子核，以制造反氢原子。由于负质子与氙原子核相撞后会产生正电子，

刚诞生的一个正电子如果恰好与负质子流中的另外一个负质子结合就会形成一个反氢原子，其平均寿命仅为30ns（一亿分之三秒）。2011 年，欧洲核子研究中心的科研人员宣布已成功抓取反氢原子超过16min。同年，在位于纽约长岛的美国布鲁克海文国家实验室，来自多个国家的科学家们合作制造出了迄今最重的反物质——反氦原子。

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1997 年，美国天文学家宣布，他们利用先进的γ 射线探测卫星发现在银河系上方约3500 光年处有一个不断喷射反物质的反物质源，它喷射出的反物质在宇宙中形成了一个高达2940 光年的“喷泉”。这是宇宙反物质研究领域的一个重大突破。现在人们最想知道的就是，宇宙中真的存在反物质星球吗？

17.2 宇宙隐形人：中微子

1899 年，卢瑟福发现β 衰变现象，它涉及的是原子核中的一个中子转化成一个质子，并伴随着一个高速电子的释放。

中微子的发现来自对β 衰变的研究。人们发现，物质在β 衰变过程中释放出的电子只带走了它应该带走的能量的一部分，还有一部分能量失踪了。玻尔据此认为，β 衰变过程中能量守恒定律失效。

能量守恒定律失效这个说法太过牵强。1930 年，奥地利物理学家泡利提出了一个假说，他认为在β 衰变过程中，除了电子之外，同时还有一种静止质量为零、电中性、与光子有所不同的新粒子放射出去，带走了另一部分能量，因此出现了能量亏损。这种粒子与物质的相互作用极弱，以至仪器很难探测到。1931 年，泡利提出，这种粒子并非原本就存在于原子核中，而是由衰变产生的。

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泡利预言的这个窃走能量的“小偷”被意大利物理学家费米命名为“中微子”，意为“微小的中性粒子”。1934 年，费米在中微子理论研究中做出了重大贡献，他的创举在于将β 衰变归结于粒子的产生和湮灭。该理论直接为量子物理带来了一个至今仍占中心地位的重要思想：微观世界中的相互作用都是通过产生和湮灭粒子发生的。

中微子个头小，不带电，只参与非常微弱的弱相互作用，具有极强的穿透力，能轻松穿透地球，就像宇宙间的“隐形人”。地球上每平方厘米每秒有600 亿~1200 亿个中微子穿过，但是在100 亿个中微子中才有一个会与物质发生反应，因此中微子的检测非常困难。直到1956 年中微子才被观测到，证明了它的存在。

对中微子的研究表明，中微子具有质量，但其质量非常非常小，以至于人们目前还测不出准确数字，只能给出一个质量上限值。

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关于中微子曾有一个轰动世界的新闻。2011 年9 月，意大利格兰萨索国家实验室公布“中微子运动速度超光速”的试验结果，引起世界震动。不过在2012 年6 月8 日，该实验室宣布撤销此项试验结果，原来是因为试验装置存在光缆连接问题而导致测量误差。真是虚惊一场。

17.3 世界的基石：夸克

1930 年以后，科学家们开始制造粒子加速器（图17-2）。加速器是用电磁场把带电粒子加速到高能高速的装置，它是探测微观粒子的有力武器。在这里，带电粒子被加速到极高的速度，然后与其他粒子或其他物体发生剧烈的碰撞，连原子核都能被撞个粉碎，于是最基本的粒子都被撞了出来。

图17-2 欧洲核子研究中心的大型强子对撞机周长26.66km，是世界上最大的粒子加速器

加速器可以是直线形的，也可以是环形的。在环形的加速器里，专门有磁场将粒子逼到环形轨道上去。随着加速器能量的不断提高，人类对微观物质世界的认识也逐步深入，粒子物理研究取得了巨大的成就。

质子和中子因为存在强相互作用才能结合成稳定的原子核，人们把150可以直接参与强相互作用的粒子称为“强子”。在加速器的作用下，人们竟找到了200 多种强子，如果再加上它们的反粒子，就有400 多种。这实在是太多了，人们不禁怀疑，自然界用得着这么多基本粒子吗？ 1964年，美国科学家盖尔曼提出强子不是基本粒子，而是由更基本的粒子——夸克组成的观点，并发展了相关的理论（注：夸克这一名字是盖尔曼起的，他从詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根彻夜祭》中找到一句话：“Three quarks for Muster Mark!”于是，“quark”这个与科学没有任何关系的词就成了现代科学中最时髦的一个词）。

夸克的思想是吸引人的，可一些物理学家最初并不愿意接受它，他们认为夸克“结构”只是一种数学技巧。但在实验面前，他们不得不承认盖尔曼是对的。质子和中子的高速碰撞实验表明，它们都是由更小的粒子构成的，这些粒子就是夸克。因为对夸克的研究，盖尔曼获得1969年的诺贝尔奖。

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夸克和电子的体积是最困扰我的一个问题。华裔诺贝尔奖得主、粒子物理学家丁肇中在演讲中多次提到，从理论上来讲，夸克和电子都是点粒子，其直径或体积应该为零。他在实验中测出电子直径至少是小于10−19m 的，但是我的头脑中实在无法想象体积为零的粒子是一个什么图像。也许只能这么理解：既然它们没有内部结构，那就应该没有体积（不过超弦理论已经打破了这种点粒子的观点，以后章节将会详述）。

宇宙中存在有6 种不同类型的夸克，我们分别将之称为上、下、奇、粲、底、顶夸克。每种夸克都带有3 种“色荷”——红、绿、蓝。当然，所谓这些颜色仅仅只是借用红、绿、蓝这三个词而已，并非夸克真的有颜色。色荷可以和电荷类比，就像电荷有正、负两种类型一样，色荷有红、绿、蓝三种类型。由于夸克有6 种类型，每种类型有3 种“颜色”，所以共有18 种夸克。

夸克的色荷在强相互作用中守恒，因此，色荷是强力的源。两个夸克之间通过交换“胶子”而发生强相互作用。

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由三个夸克组合成的粒子称为“重子”，质子和中子就是重子。每个重子都是由3 个夸克组成，同时每一个夸克都各具有一种颜色。当三个夸克组合在一起时，红、绿、蓝相互抵消，变成“无色”，色荷守恒，于是他们就结合在一起了。

由一个夸克和一个反夸克组成的粒子叫“介子”。比如红色夸克和反红色夸克结合，红色和反红色相互抵消，也变成“无色”的介子。重子和介子一起被合称为强子。

夸克的电荷是分数。上、粲及顶夸克（这三种叫“上型夸克”）的电荷为 2⁄3，而下、奇及底夸克（这三种叫“下型夸克”）的则为−1⁄3。

一个质子里包含有两个上夸克和一个下夸克（见图17-3（a）），而一个中子里则是包含着两个下夸克和一个上夸克（见图17-3（b））。所以质子的电荷为 1，而中子的电荷为0。

图17-3 一个质子包含两个上夸克和一个下夸克，一个中子包含两个下夸克和一个上夸克

17.4 世界的基石：轻子

轻子是对电子和它的两个伙伴，以及它们对应的中微子的总称。包括电子、μ 子、τ 子以及电子中微子、μ 子中微子、τ 子中微子等6 种基本粒子，加上它们的反粒子，共计12 种轻子。轻子都是基本粒子，没有内部结构。

前文已经提到过，英国物理学家汤姆逊在1897 年发现了电子，并确定电子是一种基本粒子。

1937 年，人们在研究宇宙射线时发现了μ 子。可以说μ 子就是一个胖电子，它的质量是电子的207 倍，其他性质则和电子相同。在穿过地球的宇宙射线中有大量的μ 子，此时此刻就不断地有μ 子从我们的身体中穿过。μ 子的寿命很短，它很快就会衰变成一个μ 子中微子、一个电子和一个反电子中微子。

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1976 年，物理学家们又发现了一个更胖的“电子”，它的质量是电子的3479 倍，其他性质则和电子相同，这个粒子被命名为τ 子。τ 子虽然属于轻子，但它的质量并不轻，它的质量已经达到了质子的1.9 倍。τ 子也会迅速衰变，它有三种可能衰变的途径：64.8% 的概率会衰变成τ 子中微子和反π 介子；17.84% 的概率会衰变成τ 子中微子、电子和电子中微子；17.36% 的概率会衰变成 τ 子中微子、μ 子和μ 子中微子。

17.5 四种基本力和力的传递粒子

通常把物体之间的相互作用称为力。物理学家们发现，自然界中所有的相互作用都可以归结为四种基本力的组合，这四种基本作用力是：引力、电磁力、强力和弱力。

1. 引力

引力就是大家常说的万有引力，有质量或者能量的任何物体都会感受到引力。引力对我们来讲是非常重要的，它不但让我们能牢固地脚踏大地，而且还维持着地球绕着太阳转。与其他三种力相比，引力非常非常弱，要小三十多个数量级。物体质量有多大，决定了它能产生多强的引力以及对引力有多大的反应。所以小质量物体间的引力小到可以忽略不计，这就是为什么两个人之间感受不到对方引力的原因。好在地球和太阳的质量足够大，所以地球能被太阳牢牢地吸引住。

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有趣的是，实验证明引力是以光速传播的。假如太阳突然消失了，地球并不会马上陷入灾难，它还会照样公转，直到大约8min 后地球才会感受到太阳引力的消失，那时才会出现灾难。

计算引力的公式大家都熟悉，就是牛顿的万有引力定律：

式中，F 是两个物体之间的引力，G 是万有引力常量，m1 和m2 是两个物体的质量，r 是两个物体之间的距离。

2. 电磁力

带电荷的粒子会相互吸引或者相互排斥，这种力就叫电磁力。电荷间同性相斥、异性相吸。就像质量一样，电荷也是粒子的基本性质。原子中电子带负电荷，质子带正电荷，大小都为e（e=1.6×10−19 库仑）。因为正、负电荷相互抵消，所以原子是电中性的。虽然夸克具有分数电荷，但夸克不能被单独探测到，所以e 是电荷的基本单位。

电磁力比引力强得多，两个电子之间的电磁力比引力大36 个数量级。好在我们常见的物体都是电中性的，所以不会产生强大的吸引力或排斥力。

电磁力的计算公式是库仑定律：

式中，F 是两个物体之间的电磁力，K 是库仑常数，q1 和q2 是两个物体所带的电量，r 是两个物体之间的距离。

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你肯定会问，这是一本科普书籍，有必要罗列这些公式吗？但是，如果你仔细对比一下万有引力定律和库仑定律这两个公式，你就会发现一个有趣的现象。是什么呢？

对，这两个公式在形式上竟是如此接近，这真的只是一种巧合吗？还是有更深层次的东西在里面？

3. 弱力

弱力会导致原子核的β 衰变（质子和中子间的一种转变），带来放射性。

4. 强力

强力将夸克“胶结”在质子和中子内，又把质子和中子紧紧束缚在一起形成原子核。

大家对强力和弱力比较陌生，是因为它们是作用在原子核尺度范围内的力，超过原子核尺度以外就完全失去作用了。强力是四种力里强度最大的力，比电磁力强100 倍。挤在原子核里的质子因电磁作用而相互排斥，多亏了强力才把它们紧紧束缚在一起。

物体之间产生的各种力都不是凭空就能相互作用的，而要靠一定的粒子来进行力的传递。

强力的传递粒子是胶子。胶子共有8 种，静止质量为零，电荷为零，具有色荷。

弱力的传递粒子是W 粒子和Z 粒子。W 粒子有两种，质量相同但分别带一个正电荷和一个负电荷，记为W 和W−粒子。Z 粒子是一种电中性的粒子，记为Z0。

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引力的传递粒子是引力子。这是物理学家预言的，因为到现在还没有找到引力子。如果能找到引力子，它应该是一个静止质量为零，电荷为零的粒子。

电磁力的传递粒子就是光子。两个带电粒子之间的电磁力是通过互相交换光子而产生相互作用的。

在力的传递粒子中，光子、胶子、引力子静止质量均为零，而W 粒子和Z 粒子却有静止质量，而且非常大。W 粒子的质量是电子的157400倍，Z 粒子的质量是电子的178450 倍。

表17-1 给出了四种基本作用力的性质对比。

17.6 上帝粒子：希格斯粒子

为什么有些基本粒子具有静止质量，而有些基本粒子的静止质量为零？英国物理学家彼得·希格斯提出的一种物理机制可以解释这问题。

可以说，希格斯机制是宇宙中物质质量的来源，是物质世界诞生的基础。按现有理论，所有粒子原本都是没有质量的，是希格斯场赋予了它们质量。希格斯场是一种原本不可见的、遍及整个宇宙的能量场。如果没有希格斯场，就无法生成质量，也无法构建任何东西，那么恒星、行星、生命就无从诞生了。

电磁力和弱力在宇宙起源之初的高能状态下本来是一种统一的电弱力，W 、W−、Z0 和光子原本都没有静止质量，统一的电弱力具有比较高的对称性。但是随着能量的降低，这种对称性自发破缺，统一的电弱力分解为电磁力和弱力。在这个过程中，W 、W−、Z0 等粒子与希格斯场作用获得了质量，而光子未参与这种作用，静质量仍为零。

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轻子、夸克等粒子原来质量也为零，它们也因为自发对称性破缺而与希格斯场相互作用获得质量，但它们获得质量的方式不同于W 和Z粒子。

总之，根据希格斯机制，W 粒子、Z 粒子、轻子、夸克等基本粒子因为与希格斯场彼此相互作用而获得质量，但同时也会出现副产品——希格斯粒子。假若实验证实希格斯粒子存在，则可给予希格斯机制极大的肯定。光子和胶子不和希格斯场发生相互作用，所以它们没有质量。

有一个形象的比喻，希格斯场就像一锅充满宇宙的糖浆，粒子就是在糖浆里游的鱼，有的鱼儿皮肤粗糙沾上了糖浆，于是获得质量，速度也慢了下来；有的皮肤光滑没有沾，所以就无质量。

美国著名粒子物理学家利昂·莱德曼曾写过一本书，书名叫做《上帝粒子——假如宇宙是答案，究竟什么是问题？》。莱德曼在书中形象地将希格斯粒子称为“指挥着宇宙交响曲的粒子”，“上帝粒子”由此而成为希格斯粒子的绰号。

利昂·莱德曼。图片来自网络

2013 年3 月14 日，欧洲核子研究组织发布新闻表示，他们于2012年探测到的新粒子就是希格斯粒子，“上帝粒子”终于被人类发现了。研究表明，希格斯粒子的质量达到了质子质量的一百多倍。2013 年10 月，希格斯获得了诺贝尔物理学奖。

17.7 标准模型

现在，物理学家们已经建立了一套粒子物理的标准模型，在这个模型里有四种基本作用力以及62 种基本粒子。

构成物质的基本粒子如表17-2 所示，共分为三族，每一族包括2 个夸克和2 个轻子。三族中同一行相应的粒子除了质量依次增大而不同外，性质完全一样。其中，第1 族为物质世界的基本组成；第2 族除中微子外极不稳定，它们所构筑的各种粒子很快就会发生衰变；第3 族也是如此。

总体来说，基本粒子可分为三大类。第一大类是构成物质的基本“砖石”，包括6 种轻子和18 种夸克，再加上它们的反粒子，共48 种；第二大类是传递各种相互作用的粒子，有光子、胶子、W 和Z 粒子，以及引力子等共13 种；最后一类是希格斯粒子。由于引力的强度很弱，至今没有引力子存在的直接实验证据，所以引力子还没有被发现。

虽然标准模型能解释绝大多数实验现象，但它也并非是完美无缺的。很多物理学家都认为基本粒子和基本作用力的数目太多了，猜测是否背后还隐藏有一种基本的结构基元和一种基本的原始作用力。目前超弦理论已经在这方面取得了一定的成就，获得了很多物理学家的青睐。

另外，宇宙中还有更神秘的暗物质和暗能量，天文学家认为宇宙超过95% 的质量都由它们构成，而暗物质和暗能量是我们根本看不到的东西。换句话说，我们现在研究的宇宙不过是不到5% 的宇宙而已。标准模型里并没有关于暗物质和暗能量的解释，人类目前为止还没有能力对暗物质和暗能量作出解释，那么在暗物质和暗能量面前，标准模型该何去何从？

（摘自《从量子到宇宙》，作者：高鹏。）