標準模型所描述的基本粒子與四種作用力

很多人都聽過標準模型（Standard Model），但概念都不深。要對標準模型有個大致的瞭解其實不難，標準模型是描述各種基本粒子的分類架構，就好比是用元素週期表（Periodic Table）來歸類及描述各種不同的化學元素。不同的基本粒子（elementary particle）有不同的性質，可以用來分類基本粒子的性質參數並不少，在這裡不方便一一說明，只會描述大致的分類情況及名詞術語的使用方式。
基本粒子的性質和四種基本作用力有關：重力（Gravity）、電磁作用力（Electromagnetic）、強作用力（Strong）和弱作用力（Weak）。
只要物體具有質量，就會受重力影響；如果沒有重力的存在，我們生活周遭的各種東西都不會往下掉而會四處飄，地球和太陽系也會解體。大部分的基本粒子都具有質量，但有些粒子沒有質量或者難以定義出他的質量，譬如光子（photon），就不受重力影響。
至於電磁作用力，是我們生活上除了重力之外感受最為深刻的一種作用力，觸摸、看東西、嗅覺、味覺、疼痛等等，幾乎都是電磁作用力的一個外在表象，當然還包括電器產品的使用運作等等原理；電磁作用力讓電子（electron）束縛在原子（atom）裡，原子裡的電子具有負電（negative）性質，原子裡的質子（proton）具有正電（positive）性質，兩者互相牽引而構成原子，原子與原子之間也是由於電子產生鍵結而構成分子（molecule），形成我們周遭的各個物體。
至於強作用力，原子裡的原子核是由質子和中子（neutron）所構成，但原子核裡如果有兩個以上的質子，電磁作用力會讓他們分開而無法構成各種的原子，所以質子是由強作用力將他們束縛在原子核裡面，力量比電磁力還大。
最後關於弱作用力，較生活化的解釋是弱作用力的反應時間比其他三種作用力慢很多，使得太陽（Sun）裡的核融合反應速率不那麼快，不會因為快速的強作用力進行和反應而讓太陽在很短時間內就燃燒殆盡。
基本粒子大致上可分為三類：夸克（quark）、輕子（lepton）、媒介粒子（mediator, gauge boson）。
夸克是構成質子、中子等粒子的基本粒子，目前所發現的夸克總共有6種夸克和他們的反粒子（anti particle），分別為下夸克（down）、上夸克（up）、奇夸克（strange）、魅夸克（charm）、底夸克（bottom）、頂夸克（top）。目前所發現的夸克無法以單一粒子的狀態存在，只能以2個或3個夸克組合成的強子（hadron）粒子形式存在；由2個夸克所組成的強子稱為介子（meson），例如π介子（pion）和J/Ψ粒子；由3個夸克所組成的強子稱為重子（baryon），例如質子和中子。夸克可以受四種作用力的反應而變化。
輕子較特殊的地方是不參與強作用力，輕子大致上又可分為兩類，第一類是有帶電荷可以參與電磁作用力，包含電子（electron）、正子（電子的反粒子）（positron）、渺子（muon）、反渺子（anti muon）、τ粒子（tauon）及反τ粒子（anti tauon）。第二類是不帶電荷的粒子，質量為零或幾乎為零，因此主要是參與弱作用反應，粒子數及其分類與第一類相呼應，稱為微中子（neutrino），包含電子微中子（electron neutrino）、電子反微中子（electron antineutrino）、渺子微中子（muon neutrino）、渺子反微中子（muon antineutrino）、τ粒子微中子（tauon neutrino）和τ粒子反微中子（tauon antineutrino）。
媒介粒子的定義主要是上方兩類粒子在進行不同作用力時，所進行交換傳遞的能量形式或粒子。進行電磁作用所交換的粒子叫光子（photon）。進行弱作用所交換的粒子有三種，分別為帶正電荷的W+粒子（W+ boson）、帶負電荷的W-粒子（W- boson）和不帶電荷的Z粒子（Z boson）。進行強作用所交換的粒子叫膠子（gluon）。另外，電弱作用對稱性破缺（electroweak symmetry breaking）或稱為希格斯機制（Higgs mechanism）中所推論的交換粒子叫希格斯粒子（Higgs boson）。
附帶一提，夸克與輕子類的粒子稱為費米子（fermion），費米子所具有的性質是其自旋量子數（spin）為半整數1/2、3/2或其他。另一方面，媒介粒子歸類為玻色子（boson），玻色子所具有的性質是其自旋量子數為整數0、1、2或其他。進一步解釋，由2個夸克所組成的介子其自旋量子數為整數，所以π介子是玻色子；而3個夸克所組成的重子其自旋量子數為半整數，所以質子和中子是費米子；再做其他推算，氦四（Helium 4）原子核是由兩個質子與兩個中子所組成，所以氦四原子核是玻色子。
所以，質子、中子、π介子、原子核、原子、分子等等，都不是基本粒子。蛋白質、細胞等等構成生物的基本單位也不是最小的物質，他們是由分子所組成的龐然大物。
參考網頁：
Particle Data Group
The Particle Adventure

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大型強子對撞器的研究目的及可能的不可預測現象

歐洲原子能研究中心（CERN）即將在2007年11月運轉大型強子對撞器（LHC），屆時將以7 TeV能量的質子束進行對撞實驗。之前科學家所能進行最高能量的粒子實驗是在費米實驗室（FNAL）的Tevatron所產生1 TeV質子與反質子的對撞。
所謂的強子（hadron）是指由夸克（quark）所組成的粒子。其中，質子（proton）和中子（neutron）就是分別由3個夸克所組成的強子，稱為重子（baryon）；另外，由2個夸克所組成的強子稱為介子（meson），例如π介子和丁肇中等人所發現的J/Ψ粒子。
大型強子對撞器（LHC）裏有兩個較為重要的偵測器，超環面儀器（ATLAS），與緊湊渺子線圈（CMS）。我參與的是ATLAS。
LHC的研究目的，大致上可歸類為下列幾項：
驗證標準模型（Standard Model）中所提到的希格斯機制（Higgs Mechanism），以及尋找理論推論中尚未實際發現的希格斯粒子（Higgs Boson）。
在高能量範圍中更準確的測量重子的質量，及驗證標準模型的穩定度。
驗證超對稱（SUSY, Supersymmetry）結構的推論是否成立。
說明為何物質（matter）與反物質（antimatter）之間的對稱性並不成立。
驗證是否有更高維度空間以及弦論（String Theory）的現象存在。
宇宙中96%的質量不能從天文觀測中來解釋，那是什麼？
解釋為何重力（Gravity）比其他三種基本作用力，強作用（Strong）、電磁作用（Electromagnetic）和弱作用（Weak），相差那麼多的數量級。
以上的物理問題不一定能在LHC中獲得解答。
另一方面，高能量範圍實驗的不可預測性引發了一些新的憂慮：
產生一個穩定的黑洞（Black Hole）。（黑洞所產生的巨大引力將毀滅地球？）
產生一個奇異物質的穩定態，比我們物質世界的物質更為穩定。（世界將變成另一種物質的世界？）
產生磁單極而催化質子衰變。（質子如果不是穩定態，物質世界將會崩毀？）
觸發相變至一個量子力學中與現在物質不同的真空態（虛真空False Vacuum）。（物質將進行相變，至不一樣的狀態中？）

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The Ancient Chinese Wisdom “I Ching”

I Ching represents the human philosophy in ancient Chinese world. Before Chinese people summed up the wisdom to I Ching in Zhou Dynasty, they experienced the human culture more than thousands of years, numerous generations. I believe that the “I Ching” wisdom is invaluable. Although the content in I Ching can not explain and infer [...]

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從放下指揮棒到坐到電腦桌前

音樂離我越來越遠，這過程是靜靜的改變。最近聽音樂越來越無味，走出音樂廳所得到的靈感越來越少，越來越懶得評析；因為會獲得收穫的機會大多在唱片裏。回到台北，也不會去注意音樂活動了。但我覺得這並不會讓我越來越俗庸，音樂雖然不在，但意念不會消失，樂器和指揮棒的靜止，那種靜肅、昇華了精神，也是種語言。
我對物理的執念比音樂還要強，當我過去在玩音樂的時候，心裏總是會想著我以後還要做物理，我有獨奏、指揮、編曲、作曲的能力，也發明過新的演奏技巧，這在過去的幾年都一一驗證了，但是音樂可以讓人看到的世界並不如物理多，真理也會在科學世界中，這是絕對絕對的正確。過去，我一直在換跑道、轉職，音樂之外，在服役過程中也做過了至少四種不同的身份，其中較為成功的部分是某個幕僚職；之後在就業場合中又開始變換，半導體記憶體類換到專利事務類型。位置變換所產生觀點見解上的廣度，非常重要；就像服役過程中，我跟一位兵科訓練學校的朋友提到我從一個領導職換到非領導職是換了位置換了腦袋，那是確實可接受的，也應該是人值得歷練的過程。
碩士做的是電動力學相關的題目，到現在做高能物理相關題目，其中有許多的峰迴路轉，順境和逆境，成功之後回味起來並非不足為外人道。現在我的氣色比以前好很多，博士班入學第一學期戰戰兢兢修課拿到高分後，開始揮去長年以來的陰暗面，精氣神逐日逐月提升，這一年當中也做成功了幾件事、英文語言能力又明顯進步，美國生活當中培養起的處事方式，使得我滿意及珍惜自己的現況。意念會決定人的發展，如果我不想做高能物理，我現在並不會做高能物理；想通了之後，就要去思考如何以較圓融的方式去往前邁進；當然有時候要有必要性的果決。決定做高能的這個方向，是在逐漸瞭解科學世界的廣度及深度之後，自己所做的選擇；如果以後有一天當我發現了一個更為尖端的領域，我會再度思考往那個方向走。這當然是迫使自己再度的去學習，不讓頭腦鈍化，也就是我現在坐在電腦桌前的處境。
做的是實驗物理，但自己不動手做實驗，坐在電腦桌前分析結果，好像是在做理論物理。實驗物理和理論物理，不同位置會有不同腦袋，然而較好的實驗工作者要瞭解理論研究的處境，較好的理論工作者要瞭解進行實驗者的處境，實驗工作者應該要有理論依據以進行研究，理論工作者反而較不需要學習實驗技能。因此，以我目前的處境，必須建構理論物理的相關知識，母系領域、子系領域、旁系領域的相關知識必須適當的去吸收。電腦桌前會發生的事情，我要在Windows, Linux, Unix環境中工作，在C++, JAVA, Fortran, Python, XML等程式語言或標籤語言中工作，在ROOT, Geant4, Athena等架構環境中工作，使用Monte Carlo, Neural Network, Genetic Algorithm等演算法進行工作，使用SSH, Grid等網路連接方式工作。總之，要讓自己像個博士樣。離開電腦桌，人前的討論必須讓自己成為一個表演者，那又像是回到舞台上，看觀眾的場合。
年底時的反省，想深了就會逐漸發現自己的盲點，下一年也是要衝刺的一年。

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