（几乎）一切理论的入门

我是斜杠青年，一个热爱自然科学的“杂食性”学者！

粒子物理学标准模型指南。

公元前4世纪之交，希腊哲学家德谟克里特斯闻到了烘焙的味道，认为小块面包一定漂浮在空气中，进入他的鼻子里。他称这些小点为“原子”（意为“不可切割”），并将它们想象成微小的球形球。

但原子不是小小的固体球体。它们由更小的位组成，称为粒子。

科学家对这些粒子及其行为支配力的最佳描述被称为粒子物理学标准模型，或只是“标准模型”。

标准模型对自然界的所有粒子进行分类，就像元素周期表对元素进行分类一样。该理论被称为标准模型，因为它非常成功，已经成为“标准”。

然而，还有一些纠结需要解决（以及一些惊人的遗漏）。这就是为什么它有时被称为“几乎万物理论”。

这一切是如何开始的？

早在20世纪初，科学家就认为自然界中只有三种基本粒子：质子和中子，它们构成了原子核，以及围绕原子核旋转的电子。

但在20世纪50年代和60年代，物理学家开始将这些粒子粉碎在一起，其中一些粒子破裂了。事实证明，质子和中子里面有更小的颗粒。

发现了数十种新粒子——有一段时间，没有人能解释它们。物理学家称其为“粒子动物园”。

在20世纪70年代，Murray Gell-Mann等物理学家在混乱中找到了秩序。他们采取的步骤类似于俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫为在他的元素周期表中找到化学元素的顺序而采取的步骤。

粒子的新顺序解释了新发现粒子的许多特性，并正确预测了一些新特性。

下面带大家相互认识

标准模型的粒子组成了一个大家族。你的第一个介绍可能令人生畏，有点像参加一个与你从未听说过的远亲的聚会。无论这些表亲多么奇怪，重要的是要记住，他们都是相互关联的。

基础知识

Gell-Mann和其他人将粒子分为两大类：费米子和玻色子。

费米子，如电子，构成了我们称之为物质的东西。玻色子，如光子，传递力。

费米子再次被细分为两种粒子，这取决于它们感受到的力。这些是夸克和轻子（见下文）。

自然力量

粒子通过四种力相互通信：电磁、强力、弱力和重力。

标准模型描述了前三个（重力在标准模型中没有特征，如下所述）。

不同的粒子通过不同的力量进行交流，类似于人们用不同语言交流的方式。例如，只有夸克说“胶子”。而电子可以说“光子”以及“W玻色子”和“Z玻色子”。

电磁学是将电子固定在原子中的力。它由光子通信。

强力使原子核保持在一起。没有它，宇宙中的每个原子都会自发爆炸。它由胶子交流。

弱力会导致放射性衰变。它由W和Z玻色子传输。

基本粒子

所有物质都由两种类型的粒子组成，称为夸克和轻子。

夸克：（图中的紫色颗粒）有六种“味道”，都有奇怪的名字。看到他们成对成对造三代人是有用的。这些是“向上”和“向下”（第一代）、“魅力”和“奇怪”（第二代）以及“顶部”和“底部”（第三代）。

只有上夸克和下夸克在日常生活中很重要，因为它们制造质子和中子。

其他人只制造“异国情调”物质，这太不稳定了，无法形成原子。物理学家可以在粒子加速器中产生外来物质，但它通常只持续一小部分秒，然后衰变。

轻子：有六个轻子，其中最著名的是电子，这是一个带有负电荷的微小基本粒子。

muon（第二代）和tau（第三代）粒子就像电子的较胖版本。它们也有负电荷，但它们太不稳定，无法在普通物质中发挥作用。

每个粒子都有一个相应的中微子，没有电荷。

中微子值得特别一提，因为它们可能是标准模型中所有粒子中最不为人知的。

它们速度快，但只能通过弱力相互作用，这意味着它们可以很容易地直接穿过行星。它们是在核反应中产生的，例如那些为太阳核心提供动力的反应。

强子：复合粒子

现在我们知道了自然界的基本粒子，我们可以开始以不同的方式将它们堆叠在一起，以制造更大的粒子。

最重要的复合粒子是由三个夸克组成的重子。质子和中子都是重子。

欧洲核研究组织（CERN）最大的粒子对撞机将质子粉碎在一起。因为质子是一种强子，所以它被称为大型强子对撞机或LHC。

Antimatter：双倍还是什么都没有？

据我们所知，所有夸克和轻子都有双反物质粒子。反物质就像物质，只是它有相反的电荷。例如，电子的对应物质量完全相同，除非有正电荷而不是负电荷。当物质粒子遇到其反物质双胞胎时，它们都会在一阵纯能量中湮灭。

反物质在宇宙中非常罕见，尽管它在技术中确实发挥着一些重要作用。例如，正电子发射断层扫描仪（PET）使用正电子的湮灭来查看体内。

物理学的伟大奥秘之一是为什么宇宙几乎完全由物质构成。许多粒子物理学家正在努力回答这个问题。

原子：复合材料

Democritus嗅到的面包仅由第一代基本颗粒制成。

上夸克和下夸克通过强力结合在一起，形成质子和中子，强力也将它们粘在一起，形成原子核。

电子以量子力学确定的排列绕原子核运行（有关终端混淆，请参阅引物量子物理学）。

希格斯：神粒子

你可能注意到粒子表右侧的孤独者——希格斯玻色子。希格斯是一种特殊的粒子，它使其他基本粒子的质量。

太空中到处都存在一个领域。当粒子在太空中移动时，它们往往会撞到这个领域，这种相互作用会减慢它们的速度（类似于在水中移动比空气更困难）。这种相互作用使基本粒子质量变大。

一些粒子，如光子和胶子，不与希格斯场相互作用，因此是无质量的。

正如光子传达电磁力一样，希格斯玻色子也通信希格斯场。

希格斯玻色子是一个理论粒子，直到2013年欧洲核子研究组织宣布它终于被发现了，尽管科学家仍在发现它的特性。

缺少什么？

地球引力

标准模型中最大的漏洞是缺乏重力。自然界的第四种力量根本不适合目前的画面。

与其他力相比，重力也非常弱（例如，强力比重力强100,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000倍）。

一些物理学家认为，引力也由一种称为引力子的粒子传播，但到目前为止，还没有证据表明这种粒子存在。

中微子质量

与所有其他粒子相比，中微子是如此之小，以至于它真的需要解释。中微子可能不像其他粒子那样从希格斯获得质量。

暗物质：对于观察宇宙，它看起来很大一部分是由暗物质制成的——这是一种与常规物质不相互作用的新型物质，因此可能完全没有从标准模型中消失。

超对称

一些物理学家正在寻找标准模型的扩展来解释这些谜团。超对称性是一个扩展，每个粒子都有另一个质量更高的孪生。

其中一些粒子与普通物质的相互作用非常弱，因此可能是暗物质的良好候选者。

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