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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