前两篇有人说数学太深了hhh那这篇就说一些容易理解的，讲讲现今人类对于物质世界了解的最多的部分：粒子物理标准模型，的简要发展历史以及现在，权当一个科普。你看，标题也起的文艺了一点x（虽说我说是科普，但是其实我对这方面了解也不是特别完全，大部分也是从科普看来的，这之中真正的物理我还在学习中）

一、20世纪以前的物理

人类对于物质世界的组成的研究从很早之前便已开始。我们日常生活中接触到的万事万物，都是由什么组成的呢？古希腊有风火水地四元素说，古中国有金木水火土五行之说，虽并不十分正确，但也不失为一个好的探索。

古希腊哲学家德谟克利特提出原子论，认为万物由不可分割的原子组成。这理论对随后的哲学、物理学都有深刻的影响。

现在我们知道，物质由（物质保持化学性质的最小单位）分子组成，分子由（化学反应不可再分的最小单位）原子组成。时间到了19世纪，这时的人们认为原子是不可再分的，门捷列夫的元素周期表便是所有的基本原子。

1897年，汤姆孙（J.J.Thomson）发现电子，这是一种亚原子粒子。可以认为，这是粒子物理学的起源。【汤姆孙由于对气体导电的理论和实验研究获得1906年诺贝尔物理学奖】

1900年，相信很多人都听说过，开尔文男爵（William Thomson）在会议上发表著名讲话，说物理学大厦已经建成，但仍有两朵乌云。这两朵乌云在20世纪便发展成为量子力学与相对论，成为近代理论物理学的两大支柱。

二、核物理的时代

我们继续回归物质组成的话题。发现了电子之后，人们认为原子是均匀分布的正电荷里镶嵌着一定数目的电子，也就是“面包葡萄干模型”。1911年，卢瑟福（Rutherford）在α粒子散射实验中，发现用带正电的α粒子轰击原子时，有很小一部分α粒子被反弹回来了。他形象的描述为就像是“炮弹打在一张纸上却被反弹回来”的不可思议的现象。于是，他提出原子的核模型，认为正电荷集中在原子中心而电子绕中心旋转。【卢瑟福由于对元素的蜕变以及放射化学的研究获得1908年诺贝尔化学奖，因物理学获化学奖的有名的一次乌龙】

1919年，卢瑟福在α粒子轰击氮原子时发现质子，随后1932年，查德威克（Chadwick）也在核反应中发现中子。我们现在知道，原子核是由质子与中子组成的，质子-中子-电子便是当时所有的“基本粒子”。【查德威克因发现中子获得1935年诺贝尔物理学奖】

1928年，狄拉克（Dirac）在尝试将狭义相对论引入量子力学方程时，得到粒子可能存在负能量状态的解。但是，如果这是真的，为什么电子没有全部跃迁到负能量状态而无限下沉下去呢？狄拉克便提出狄拉克海，真空即是负能量的状态全被填满，而如果能量足够，一个负能量态的电子跃迁至正能量态留下的空穴便是电子的反粒子正电子。虽然现在看来，狄拉克海的理论有很多漏洞，但是这也为后来的量子场论提供了引子。【狄拉克因狄拉克方程与薛定谔共享1933年诺贝尔物理学奖】。1932年，安德森（Anderson）在宇宙射线中发现正电子。1955年，反质子也被发现，意味着当时大部分粒子都有反粒子的理论是正确的。【安德森因发现正电子获得半个1936年诺贝尔物理学奖，张伯伦和塞格雷因发现反质子获得1959年诺贝尔物理学奖】

这时的物理学也已经相对完善。相互作用共有4种：我们熟悉的电磁相互作用与引力相互作用，它们满足平方反比律，是长程相互作用；使原子核内质子与中子聚集在一起的核力是强相互作用，β衰变中中子衰变成质子与电子是弱相互作用，它们是相互作用，只在很近的距离下才有作用。爱因斯坦（Einstein）已预言光子的存在，于是电磁相互作用便是由零质量的光子传递的。

相互作用满足一些守恒定律。除传统的能量守恒、动量角动量守恒这种连续量的守恒外，也有电荷量守恒这种非连续量的守恒。而且微观粒子中存在着更多的守恒定律，比如人们没有观察到质子衰变成电子，这意味着重子数守恒，质子与中子的重子数为1，而电子的重子数为0。

接下来就不会完全按照时间顺序讲了，主要会按内容分块。

三、更多亚原子粒子

1935年，汤川秀树（Yukawa）在研究核力时，类比电磁场提出核力的场分布，并预言核力是由一种有质量的介子传递的。介子有质量意味着力程会被大大缩短。【汤川秀树因预言介子获得1949年诺贝尔物理学奖】。1936年，安德森同样在宇宙射线中发现一种质量与汤川预言的介子接近的亚原子粒子μ子。但是后来却发现，该粒子并不是汤川预言的介子，而是一种性质类似电子却重很多的轻子。1947年，鲍威尔（Powell）等人发现了真正的汤川介子，并命名为π介子。π介子有带正电、负电、不带电3种。【鲍威尔因发明照相乳胶法以及发现π介子获得1950年诺贝尔物理学奖】

同样是1947年，科学家们在宇宙射线中发现了一系列奇异的粒子，以K介子、Λ超子为首。这些奇异粒子的典型特点是在π-p碰撞中的产生时间很快，而且总是成对产生，但是衰变却很慢。盖尔曼（Gell-mann）等人提出了一种新的量子数-奇异数，它在强相互作用中守恒，而在弱相互作用中不守恒。也就是说，强相互作用产生一对正反奇异粒子，而它们靠弱相互作用衰变。

之后，人们陆续发现了更多的奇异粒子。“基本粒子”的表越来越庞大，人们开始怀疑它们并不是“基本的”。1964年，盖尔曼和茨威格（Zweig）独立的提出夸克模型，用群论中的SU(3)描述夸克的对称性，也就是介子八重态与强子十重态和八重态：

介子由一个夸克和一个反夸克组成，强子由3个夸克组成，而夸克有3种：上夸克u携带-1/3e，下夸克d携带2/3e，奇异夸克s携带-1/3e。由于有三个相同夸克组成的粒子，而夸克满足泡利不相容定律：不能有任何两个粒子处于相同状态，这要求夸克有另一个内禀自由度：颜色。红绿蓝三色的三种夸克组成一个没有颜色的强子。自然界中没有观察到分数电荷，这可以由夸克满足色禁闭解释：自由粒子的状态必须是没有颜色的。随后，模型预言而当时未发现的Ω粒子被找到。【盖尔曼和茨威格因对基本粒子的分类及其相互作用的研究发现获得1969年诺贝尔物理学奖】

四、对称性

继续介绍夸克模型之前，介绍一下在粒子物理中很重要的对称性：CPT宇称。

C变换（charge conjunction）是将粒子变成反粒子、反粒子变成粒子的变换。P变换（parity）是空间反射变换，也就是将坐标r变成-r。T变换（time）是时间反射变换，将未来变成过去、过去变成未来。对于一个粒子反应，说它满足C宇称，意味着在C变换下守恒，也就是对粒子反应做C变换后，各项参数（如反应几率等）不变。CPT这三项对称性分别守恒，似乎是粒子物理界默认的条件，毕竟，“上帝不可能是左撇子”，偏爱某个粒子-反粒子态或是偏爱某个空间方向，似乎并不可能。

但是这就出现了一个问题。刚才讲到的1947年发现的粒子中，有两个粒子θ和τ，两者的质量与寿命都相同，但是θ衰变至两个π，τ衰变至三个π，它们的P宇称状态一个是+1，一个是-1，如果P宇称守恒，那么这两个粒子P宇称不同，就应该是两个不同的粒子。

1956年，杨振宁（Yang）和李政道（Lee）研究了前人的实验发现，以前的实验中有强相互作用与电磁相互作用中P宇称守恒的证据，但是并没有弱相互作用的证据，二人提议做实验检查。1957年，吴健雄（Wu）用实验证明了弱相互作用中P宇称破坏，“上帝是左撇子”引起了学界的震惊。也因此，θ和τ变成了同一种介子（也就是K介子）。【杨振宁和李政道因弱相互作用中宇称不守恒获得1957年诺贝尔物理学奖】

虽然P宇称被破坏了，但是人们仍认为CP联合变换应是守恒的。1964年，在K介子里又发现了问题。科学家们发现在K0与K0bar的衰变中，CP联合变换也被很少量的破坏了。CP联合变换的破坏暗示宇宙中的物质-反物质不对称疑难的一种可能解决方式，也就是为什么我们的宇宙中物质相比反物质多这么多。【K介子的CP破坏的研究获得了1980年诺贝尔物理学奖】

五、夸克模型

我们继续夸克模型的问题。1970年，为解释弱相互作用中味道不变的中性流的选择定则，格拉肖（Glashow）等人在卡比博（Cabibbo）研究的基础上，提出GIM机制，预言第四种夸克的存在-粲夸克c。1974年，里克特（Richter）领导的SLAC团队和丁肇中（Ting）领导的布鲁克黑文国家实验室独立的在不同实验中，在3.097GeV处发现了一个宽度很窄的粒子，两个团队一个叫它J粒子，一个叫ψ粒子。后来叫J/ψ的这个粒子，事实上是由一个c夸克和一个反c夸克组成，也就是说第四种夸克被发现了。【里克特和丁肇中因发现J/ψ获得1976年诺贝尔物理学奖】

现在，c与s夸克这一对同样也是一个携带-1/3e一个携带2/3e，和u与d夸克性质类似，也就是说夸克有两代四种。1973年，小林诚（Kobayashi）和益川敏英（Masukawa）为解释CP破坏，同样也是在卡比博（Cabibbo）的基础上，提出CKM夸克混合矩阵，认为要解释CP破坏需要有至少三代夸克，预言了第三代顶夸克t与底夸克b。1977年，在费米实验室中发现了由一对正反底夸克b构成的介子Υ（读作Upsilon），1995年，同样在费米实验室，顶夸克也被发现了。b和t很重，含有b的介子很少，而t更是因为太重了形成后很快就会衰变无法组成介子。【小林诚和益川敏英因CP破坏和第三代夸克与南部阳一郎共享2008年诺贝尔物理学奖】

六、三代轻子

轻子与强子相对，定义为不参与强相互作用的粒子。早在1930年，泡利（Pauli）为解释β衰变中能量不守恒的问题，预言了一种中性粒子-中微子。它与其他物质的相互作用很微弱，很难被实验探测到。它在β衰变中随电子一起产生，携带走一部分能量逃出探测器，显得“能量不守恒”。直到1956年，莱因斯（Reines）才在实验中发现中微子（现在称之为电子中微子）。【莱因斯因发现中微子与（下述）共享1995年诺贝尔物理学奖】。由于中微子是电中性粒子，不参与电磁相互作用，所以只能通过弱相互作用来探测，这使得中微子相关的实验进行起来难了很多。

1962年，又发现了另一种中微子：μ子中微子。在β衰变中伴随电子产生的中微子是电子中微子，而μ子中微子则伴随着μ子产生。【获得1988年诺贝尔物理学奖】

1977年，在电子-μ子两者之上，发现了一种更重的轻子：τ子。τ子的质量甚至比质子还重，很难想象这是个轻子（笑）。【与（上述）共享1995年诺贝尔物理学奖】

对应τ子，同样有一种τ子中微子。类比夸克的六种味，轻子也有三种味，三种轻子数分别守恒：β衰变时同时产生电子与反电子中微子，μ子衰变时伴随产生一个μ子中微子，等等。1957年，庞蒂科夫（Pontecorvo）提出三代中微子之间可能有混合，也就是中微子震荡。之后从1998年开始的一系列实验，陆续证明中微子震荡确实存在。【获得2015年诺贝尔物理学奖】。中微子震荡暗示中微子存在不为零的静止质量，也就是这里存在超出标准模型的新物理。

七、相互作用

物理学包括物质的组成，也包括物质之间的相互作用。爱因斯坦（Einstein）很早就提出了光子的概念，认为电磁相互作用由一个粒子传递。而后，在量子场论（Quantum Field Theory，量子力学与狭义相对论的结合理论）这理论工具的支持下，费曼（Feynmann）等人发展出量子电动力学（Quantum Electrodynamics）。QED处理光子与其他粒子（如电子，μ子）的电磁相互作用。QED取得了巨大的成功。举例来讲，对电子反常磁矩的预言与测量，QED的预言结果是0.001 159 652 181 643(764)，实验测得的数值是0.001 159 652 180 73(28)。实验与理论在小数点后11位都保持精确吻合，这在历史上是头一次。【费曼、朝永振一郎、施温格因量子电动力学的研究获得1965年诺贝尔物理学奖】

1961年，格拉肖（Glashow）、萨拉姆（Salam）与温伯格（Weinberg）提出弱电统一理论，认为在更高能量下，弱相互作用与电磁相互作用是同一种相互作用，在低能量下发生对称性破缺，显现出两种不同的相互作用。他们提出了带电的W粒子，与不带电的Z粒子一共三种传递弱相互作用的粒子，当时还没有发现不带电的粒子传递的弱相互作用。【这三人因弱电统一理论获得1979年诺贝尔物理学奖】。1973年找到了预言的弱中性流，1983年W和Z粒子在实验上被发现。【获得1984年诺贝尔物理学奖】

在费曼、杨振宁、米尔斯（Mills）等一些人的努力下，描述强相互作用的理论量子色动力学（Quantum Chromodynamics）也被建立了起来。在QCD的框架下，强相互作用由有(3*3-1)=8种不同的颜色的胶子传递。由于色禁闭，低能量下无法存在自由的胶子，故强相互作用的力程也很短。1979年，实验上观测到典型的三喷注事例，说明胶子被发现。

但是温伯格等人的弱电统一理论中，传递弱相互作用的W和Z粒子的质量是零。但是实验上弱相互作用的力程很短，W和Z粒子需要有不小的质量。1964年，为在弱电统一的框架下赋予W和Z粒子质量同时保持光子零质量，几个小组几乎同时独立的提出了一个理论，现在被称为希格斯机制（以Higgs命名）。一箭双雕，希格斯场与费米子的耦合同时也使费米子，也就是组成物质世界的粒子，也获得了质量。这也就是一切质量的来源，希格斯粒子也因此被称为“上帝粒子”。同时，该理论预言希格斯场的激发形成一种希格斯粒子。2013年，在CERN所属的大型强子对撞机（LHC）上发现了希格斯粒子。【希格斯（Higgs）与恩格勒（Englert）因此获得2013年诺贝尔物理学奖】

2013年被找到的希格斯粒子，被称为标准模型中遗失的最后一块拼版。现在的标准模型包含：组成物质的费米子有3代6种夸克，3代轻子以及对应的中微子，传递相互作用的规范玻色子则是光子、W与Z、胶子，和标量玻色子希格斯粒子。

八、未来的标准模型

标准模型是一代又一代理论与实验物理学家们在20世纪后半叶一步一步建立的描述我们物质世界的模型，至今经受住了实验的考验，取得了巨大的成功。但是，现在仍有几朵乌云漂浮在标准模型的晴空下（笑）。

Higgs粒子被发现后，粒子物理可以说是进入了后Higgs时代。标准模型需要解决的问题还有很多，比如：

1. 标准模型有26个需要由实验测定的自由参数，比如夸克质量、CP破坏相因子等等很多，这对于一个“终极理论”而言有点多；

2. 量子场论与广义相对论不相容，需要一个可以将引力量子化的新理论；

3. 现在观测到的中微子震荡，暗示中微子有质量，如何理论解释；中微子是不是马约拉纳费米子（也就是它的反粒子是否是它自身）；

4. 希格斯粒子虽然被发现了，但它的性质、与物质的耦合强度、自耦合强度等参数需要更精确的测量，以验证它是不是标准模型中的那个希格斯粒子；

5. 为什么夸克和轻子都是三代？有没有第四代夸克或轻子？

6. QCD并未禁止奇异态粒子的出现，如胶球（数个胶子组成的粒子）、四夸克态、五夸克态、混杂态（由一对夸克反夸克与束缚态胶子组成）等等，实验上也观察到了一些奇异介子与奇异强子，它们是怎么组成的；

7. 杨-米尔斯规范场理论的存在性与质量间隙，这个问题也是数学界七大千禧年难题之一，在物理上它涉及到夸克的色禁闭等等；

8. 在天文学与粒子物理的交叉学科上，宇宙里观察到的暗物质，它不发生电磁相互作用，又会有引力，它究竟是什么新的粒子；

9. 大爆炸的暴涨阶段以及之前，我们尚不能很好的估计发生了什么；

10. 宇宙中的物质-反物质不对称，用现在观测到的CP破坏量尚不足以解释；

    等等等等。。。

这部分已经是当今物理学的最前沿了，我个人对这方面的了解也不是很足，只能结合我接触过的一小部分稍微讲一讲这一些开放的问题。

现在，确实已经有了很多的超出标准模型的理论模型（BSM，Beyond the Standard Model），比如大家熟知的弦理论以及M理论、圈量子引力论、超对称模型等等。在实验上，也在寻找超出标准模型的新物理，在一些地方也找到了不少与标准模型偏差3σ以上的信号。

关于第四个问题，有两个大型对撞机正在计划：将坐落于日本的国际直线对撞机（ILC，International Linear Collider），与中国的环形正负电子对撞机（CEPC，Circular Electron Positron Collider）。这两个对撞机如果能够建成，将会运行在希格斯粒子的质量区间，作为希格斯粒子工厂，持续的产生大量干净的希格斯粒子的事例用于研究。我们将能更详细的了解上帝粒子。目前在LHC上找到的希格斯粒子，是在一大团噪声中隐约看见的一丝迹象。因为LHC是质子-质子对撞，质子由三个夸克组成，质量很重，对撞时难免会撞出各种各样的粒子，用来找新的粒子自然是方便，但是这就使得对希格斯粒子的精确测定变得困难。而ILC与CEPC则是电子-正电子对撞，电子没有内部结构，就不会产生很多我们不想看到的噪声事例。

而且，由于暗物质有质量，它与希格斯粒子就会有相互作用，我们可能能在希格斯粒子的衰变中窥见暗物质的蛛丝马迹。再而且，超对称模型预言共有四种希格斯粒子，包括其他很多模型也有在相关能量区间的预言，这也是验证或否定理论的很好机会。我在一个关于CEPC的报告里，听到教授这么说：“如果上帝知道了我们在建造上帝粒子的工厂，那他会怎么想？”我觉得，上帝粒子应该是目前离世界本源最近的探索了。

关于第六个问题，2015年，五夸克态粒子Pc(4380)与Pc(4450)已确认在LHCb发现。胶球的可能候选也有f0(980)等。由于我了解的不多，就不详细叙述了。提两句近几年发现的一系列新粒子：XYZ粒子。

我们记得，由一对正反c夸克组成的粒子J/ψ在很久之前发现了。c夸克相比uds夸克，重了很多，运动速度不快，相对论效应不明显，使用不含相对论的量子力学也可以类比氢原子地近似计算出一对正反粲夸克组成的粲偶素（偶素即指一对正反粒子组成的状态）的能级：

横坐标是JPC（角动量与P宇称C宇称态），纵坐标是质量，虚线是两个D介子的质量，虚线以上的将会很容易通过强作用衰变至两个D介子，是共振态。可以看到，在DD质量之下的粒子态都很好的被发现了。那么很自然的就要去找DD质量之上的共振态。但是...

2003年，日本的Belle合作组发现了X(3872)。它衰变到J/ψ，应是一个粲偶素，但是并不能很好的在模型中找到，这些粒子被称为类粲偶素。X(3872)可能是四夸克态，也可能是一对正反D介子组成的分子态，或者它们的混合。X(3872)这篇文章已经被引用了超过1000多次。之后又发现了很多不能被简单的粲偶素理论模型解释的共振态。尤其是2013年，中国的BESIII合作组发现了Zc(3900)，它是个带电粒子，不可能只含一对正反粲夸克，但是却像粲偶素一样衰变，这强烈暗示Zc(3900)是四夸克态。到现在为止，XYZ粒子已经发现了几十种。

⑨、结语

人类关于物质世界的探索是永无止境的。如同标题所说，探索物质世界的组成，以及寻找希格斯粒子，是在追寻“上帝”的踪迹；在理论与实验上，寻找标准模型以外的新物理，追求一个可以完美描述物质世界的“统一场论”，是物理学家追求“美”的终极体现。过去、现在、还有未来，还将会有很多物理学家们投身于理解宇宙的组成这一事业。