基本粒子（英文名：Elementary particle 或 Fundamental particle）是組成物質(zhì)最基本的單位，是組成各種各樣物體的基礎(chǔ)，且并不會(huì)因?yàn)樾《鴶喽ㄋ皇悄撤N物質(zhì)?；玖Ｗ佑?a href="/hebeideji/3085399973483036032.html">費(fèi)米子（夸克、輕子、反夸克和反輕子）和玻色子（規(guī)范玻色子和希格斯玻色子）組成。目前已發(fā)現(xiàn)十七種不同的基本粒子——十二種費(fèi)米子和五種玻色子。由于味道、顏色組合以及反物質(zhì)的影響，費(fèi)米子和玻色子分別有 48 種和 13 種變化。標(biāo)準(zhǔn)模型中包含61 種基本粒子：電子和其他輕子、夸克和基本玻色子。
普通物質(zhì)由原子組成，原子本身一度被認(rèn)為是不可分割的基本粒子。原子這個(gè)名字來(lái)自古希臘語(yǔ)?τομο?（atomos），意思是不可分割。盡管關(guān)于原子的理論已經(jīng)存在了數(shù)千年，但原子的實(shí)際存在仍然存在爭(zhēng)議。原子的亞原子成分在 19 世紀(jì)末首次被識(shí)別，首先是電子，隨后是 1919 年的質(zhì)子、1920 年代的光子和 1932 年的中子。量子力學(xué)的出現(xiàn)從根本上改變了“粒子”的定義，提出了一種理解，即粒子作為物質(zhì)波同時(shí)存在。隨著實(shí)驗(yàn)和量子場(chǎng)論的進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子、介子是由更基本的夸克和膠子所組成。同時(shí)人類也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)性質(zhì)和電子類似的一系列輕子，還有性質(zhì)和光子、膠子類似的一系列規(guī)范玻色子。這些是現(xiàn)代的物理學(xué)所理解的基本粒子。
概述
所有基本粒子要么是玻色子，要么是費(fèi)米子。這些類別通過(guò)其量子統(tǒng)計(jì)來(lái)區(qū)分：費(fèi)米子服從費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)，玻色子服從薩特延德拉·玻色阿爾伯特·愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)。 它們的自旋通過(guò)自旋統(tǒng)計(jì)定理來(lái)區(qū)分：費(fèi)米子的自旋為半整數(shù)，玻色子的自旋為整數(shù)。如下圖所示。
宇宙豐度
按照宇宙始于大爆炸的設(shè)想，地球上多種多樣的物質(zhì)，都是從基本粒子聚變成氫開(kāi)始的，然后是四個(gè)氫合成一個(gè)氮，氮再進(jìn)一步合成其他元素。這樣從輕元素到重元素，約在150億年前的大爆炸后50萬(wàn)～100萬(wàn)年時(shí)，現(xiàn)今所有的元素就已通過(guò)核聚變而逐漸形成。元素的形成時(shí)期遠(yuǎn)比太陽(yáng)系的起源早。根據(jù)現(xiàn)代物理、化學(xué)的理論與實(shí)驗(yàn)和觀察的結(jié)果，太陽(yáng)上仍在進(jìn)行著氫合成氮的熱核聚變，及其他天體化學(xué)現(xiàn)象。已經(jīng)可以肯定，宇宙中的元素通過(guò)熱核聚變反應(yīng)，經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的形成演化過(guò)程。
根據(jù)大爆炸核合成模型，宇宙可見(jiàn)物質(zhì)的原始組成應(yīng)該是大約75%的氫和25%的氦-4（質(zhì)量）以及微量、鋰等極輕元素。在可觀測(cè)的宇宙中大約有1080個(gè)質(zhì)子、中子和電子。
發(fā)現(xiàn)歷程
大量基本粒子的發(fā)現(xiàn)大體上分為4個(gè)階段：1947年以前，科學(xué)家多是發(fā)現(xiàn)了由理論首先預(yù)言而后又經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)的粒子，如正電子、中微子，介子等。人們常把這一時(shí)期發(fā)現(xiàn)的粒子稱為第一代基本粒子。1950年前后人們又發(fā)現(xiàn)了一批奇異粒子，被稱為二代基本粒子。1960年前后發(fā)現(xiàn)的大量共振態(tài)粒子被稱為第三代基本粒子，以及延續(xù)至今的第四階段。
第一階段
大量基本粒子的發(fā)現(xiàn)可以說(shuō)是正電子的發(fā)現(xiàn)開(kāi)始的。1929年12月，保羅·狄拉克提出“空穴理論”，認(rèn)為負(fù)能態(tài)是存在的，用一種新的真空?qǐng)D像解決了負(fù)能困難。他認(rèn)為真空是一個(gè)充滿負(fù)能態(tài)的電子海洋。負(fù)能態(tài)全部被電子占滿，同時(shí)所有正能態(tài)全部沒(méi)有電子占據(jù)，由于遵從泡利不相容原理，正能態(tài)電子不能躍到負(fù)能態(tài)上去。這樣就解決了電子穩(wěn)定性問(wèn)題。如果負(fù)能態(tài)電子躍遷到正能態(tài)中成為正常電子，則在負(fù)能態(tài)電子海洋中留下一個(gè)空穴，所以空穴與正能態(tài)電子將同時(shí)產(chǎn)生。反之，正能態(tài)電子也可放出能量躍到負(fù)能態(tài)中的空穴上，電子與空穴將同時(shí)湮滅，轉(zhuǎn)化為光子?？梢?jiàn)空穴表現(xiàn)出帶正電粒子的性質(zhì)，所帶電荷與電子電荷相等。經(jīng)考察保羅·狄拉克于1931年9月提出的空穴應(yīng)是質(zhì)量與電子相同的新粒子一反電子，還指出質(zhì)子也有它的負(fù)能態(tài)，即反質(zhì)子的存在。
1932年，美國(guó)物理學(xué)家安德森（C.D.Anderson）在宇宙射線實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了正電子。他是根據(jù)所拍照片顯示的粒子蹤跡分析發(fā)現(xiàn)的，并安排了進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。他得知狄拉克預(yù)言后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析證實(shí)正是狄拉克預(yù)言的反電子，安德森將其命名為正電子。正電子的發(fā)現(xiàn)揭示出人類從未認(rèn)識(shí)的一大片新領(lǐng)地一一反物質(zhì)的存在，表明了自深界的一種對(duì)稱美，使人們認(rèn)識(shí)到電荷對(duì)稱性是一種普遍規(guī)律，為在實(shí)驗(yàn)上繼續(xù)尋找其他反粒子開(kāi)辟了道路，進(jìn)一步導(dǎo)致了量子場(chǎng)論的誕生。50年代后，科學(xué)家們利用高能加速器先后發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子、反中子、反西格瑪超子，為反物質(zhì)的存在提供了證據(jù)。
中微子的發(fā)現(xiàn)首先是奧地利物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇?/a>（Wolfgang Ernst Pauli）于1931年做出的預(yù)言。實(shí)驗(yàn)表明在β衰變中存在能量虧損問(wèn)題，在科學(xué)界引起爭(zhēng)論。泡利認(rèn)為β衰變過(guò)程中，不僅放出電子，還有一部分能量被一種未探測(cè)到的新粒子帶走了。他假定這種粒子具有電子相同的動(dòng)量矩、極微小的質(zhì)量，不帶電荷。這樣就滿足了能量守恒和角動(dòng)量守恒定律。1934年，恩里科·費(fèi)米在基本粒子可以相互轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上建立了β衰變理論，稱這種新粒子為中微子。他認(rèn)為在β衰變時(shí)，中子轉(zhuǎn)變?yōu)?a href="/hebeideji/7298235943525072905.html">質(zhì)子、電子、中微子（實(shí)際是反中微子）。直到1956年美國(guó)物理學(xué)家弗雷德里克·萊因斯和小柯恩等人利用大型反應(yīng)堆，經(jīng)3年努力，才直接探測(cè)到在軸核裂變過(guò)程中產(chǎn)生的反中微子。1962年，美國(guó)布魯克海文國(guó)立實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了另一種中微子。1968年探測(cè)到來(lái)自太陽(yáng)的中微子。
介子是探討核力性質(zhì)時(shí)提出來(lái)的。1932年，海森伯格曾提出“交換力”概念，認(rèn)為質(zhì)子與中子間的核力是由于它們不斷交換電子而引起的。1934年，日本物理學(xué)家湯川秀樹(shù)發(fā)展了這一思想，提出了介子場(chǎng)理論。湯川把核力場(chǎng)與電磁場(chǎng)相類上認(rèn)為光子是傳遞電磁相互作用的媒介粒子，在核力場(chǎng)中，因核力是短程力，所以傳遞核力的媒介粒子應(yīng)具有靜質(zhì)量，約為電子質(zhì)量的200倍，可帶正電或負(fù)電，也可呈電中性，因?yàn)檫@個(gè)質(zhì)量介于電子和質(zhì)子之間，所以稱為介子。1947年英國(guó)物理學(xué)家鮑威耳（Cecil Frank Powell）利用照相乳膠技術(shù)在宇宙線中找到了湯川預(yù)言的粒子，其質(zhì)量為電子的273倍，壽命僅2×10秒，被命名為π介子。
第二階段
50年代前后，由于探測(cè)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的提高，科學(xué)家們又相繼發(fā)現(xiàn)了大批積粒子。這些粒子按質(zhì)量大體上分成兩組，質(zhì)量比核子重的稱為超子，質(zhì)量介于核子與介子之間的稱為重介子。到50年代末，人們認(rèn)識(shí)了30多種基本粒子。它們多是從宇宙線中發(fā)現(xiàn)的。它們具有奇特的性質(zhì)：產(chǎn)生得快，衰變得慢，被稱為奇異粒子。1954年美國(guó)物理學(xué)家默里·蓋爾曼引入了奇異量子數(shù)概念，給出了很好的解釋。奇異量子數(shù)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)的規(guī)律性總結(jié)出來(lái)的容觀存在的守恒量，它的存在啟示人們進(jìn)一步設(shè)想在自然界中還可能客觀存在著一些其他反映粒子性質(zhì)的量子數(shù)。
第三階段
科學(xué)家們開(kāi)始借助大型加速器和探測(cè)儀器進(jìn)行基本粒子的研究。1951年，恩里科·費(fèi)米等人首先發(fā)現(xiàn)了π介子的共振態(tài)粒子。從60年代起相繼發(fā)現(xiàn)了大批共振態(tài)粒子。它們壽命極短（10-24~10-23秒），可看作是通過(guò)強(qiáng)相互作用而衰變的不穩(wěn)定粒子。
第四階段
在結(jié)束第三階段之前，就開(kāi)始了研究基本粒子的第四階段并延續(xù)至今。這階段的標(biāo)志是對(duì)已積累的資料進(jìn)行分類的幾次成功嘗試。這一階段中的主要事件有：SU（3）對(duì)稱的創(chuàng)造和超子的預(yù)言，三夸克模型的創(chuàng)立，中性流和桀粒子的發(fā)現(xiàn)，四夸克模型的創(chuàng)立，量子色動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，弱相互作用和電磁相互作用統(tǒng)一理論的創(chuàng)造，介子和重輕子的發(fā)現(xiàn)以及膠子的發(fā)現(xiàn)。
分類
基本粒子分為兩類。一種是具有半整數(shù)自旋的費(fèi)米子，遵循泡利（Pauli）不相容原理，即兩個(gè)費(fèi)米子不能處于相同的量子態(tài)。另一種稱為玻色子，具有整數(shù)自旋，并且與費(fèi)米子有不同的物理性質(zhì)。
費(fèi)米子
費(fèi)米子被進(jìn)一步分為兩類：輕子和夸克，分別參與不同類型的相互作用。輕子和夸克又都各自存在三代，代與代的區(qū)別僅在于質(zhì)量不同。第一代的費(fèi)米子是宇宙中最常見(jiàn)的，上夸克、下夸克、電子、電子中微子。上夸克和下夸克存在于核子中；電子圍繞著核子，共同構(gòu)成原子：電子中微子則在恒星中大量產(chǎn)生。第二代包括?？淇恕⑵娈惪淇?、繆子和繆子中微子。第三代包括頂夸克、底夸克、陶子和陶子中微子，其中頂夸克是已知的最重的基本粒子。
質(zhì)量：基于對(duì)基本費(fèi)米子質(zhì)量的測(cè)量，下表中將三代夸克與輕子依次排成三列四行，并分別用l和n 表示基本費(fèi)米子的列數(shù)和行數(shù)，三代基本費(fèi)米子中較重的夸克和輕子分別排在n=1行和n=2 行，較輕的三代夸克和輕子分別排在n=3行和n=4行。經(jīng)過(guò)排列后，在 l=1 列，基本費(fèi)米子從上到下分別為下夸克、電子、上夸克、電子中微子；在 l=2 列，基本費(fèi)米子從上到下分別為粲夸克、μ 子、奇夸克、μ 子中微子；在 l=3 列，基本費(fèi)米子從上到下分別為頂夸克、τ 子、底夸克、τ子中微子。下表中括號(hào)內(nèi)為對(duì)應(yīng)的夸克或輕子的質(zhì)量，以MeV 為單位。在表中可見(jiàn)，從 n=1行到 n=3 行，基本費(fèi)米子的質(zhì)量從左到右依次增大，且呈現(xiàn)一種周期性，這暗示著三代中微子也應(yīng)該遵循同樣的分布規(guī)律。
反粒子：無(wú)論是費(fèi)米子還是玻色子都存在反粒子，但是只有費(fèi)米子要滿足費(fèi)米子數(shù)守恒的規(guī)則。對(duì)費(fèi)米子我們定義其費(fèi)米子數(shù)為+1，對(duì)反費(fèi)米子則定義其費(fèi)米子數(shù)為-1，如此可發(fā)現(xiàn)在一個(gè)反應(yīng)過(guò)程中費(fèi)米子數(shù)總是守恒的。因此費(fèi)米子總是以費(fèi)米子-反費(fèi)米子對(duì)的形式被產(chǎn)生和湮滅，比如e+e-或Q。比如，一束光子，如果其能量E>2mc2，其中m是電子質(zhì)量，則可以產(chǎn)生一對(duì)e+e-（此過(guò)程需要一個(gè)原子，以保證動(dòng)量守恒），而一對(duì)e+e-也可以湮滅成光子，另一例子是，當(dāng)大質(zhì)量的恒星變成超新星時(shí)，費(fèi)米子數(shù)守恒的過(guò)程e++e-→+將變得極為普遍。
夸克：強(qiáng)子是參與強(qiáng)相互作用的微觀粒子，按其自旋的不同分為兩大類：自旋為半整數(shù)的統(tǒng)稱為重子，如質(zhì)子、中子和各種超子；自旋為整數(shù)的統(tǒng)稱為介子推，如π介子、K介子等。已發(fā)現(xiàn)的數(shù)百種粒子中絕大部分是強(qiáng)子或強(qiáng)子的共振態(tài)。共振態(tài)即較穩(wěn)定的強(qiáng)子激發(fā)態(tài)，共振態(tài)的存在說(shuō)明強(qiáng)子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的，實(shí)驗(yàn)也說(shuō)明了這一點(diǎn)。
玻色子
量子場(chǎng)論表明，粒子之間的基本相互作用是通過(guò)交換某種粒子來(lái)傳遞的，即基本相互作用都是由媒介粒子傳遞的，這類媒介粒子統(tǒng)稱為規(guī)范玻色子。下表中列出了規(guī)范玻色子的種類以及它們的主要性質(zhì)。
膠子：是傳遞夸克之間色相互作用的媒介粒子，是“色場(chǎng)”的量子。兩個(gè)不同色狀態(tài)的夸克通過(guò)膠子緊密地結(jié)合在一起，所以膠子必定是雙色的。分析表明，膠子只可能有8種色狀態(tài)；所以在上表標(biāo)出的膠子的個(gè)數(shù)為8。
電弱玻色子：光子和中間玻色子（W±及Z0）分別是電磁相互作用和弱相互作用的媒介子，在電弱統(tǒng)一理論中，這四種粒子都是電弱作用的場(chǎng)量子，它們都是零質(zhì)量的粒子。但是由于對(duì)稱性的破缺，只有一種媒介子（光子)保持了零質(zhì)量，而其他三種獲得了巨大的質(zhì)量。
希格斯玻色子：標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為，所有基本粒子原本都沒(méi)有質(zhì)量，它們的質(zhì)量由希格斯玻色子賦予。1964年，英國(guó)物理學(xué)家希格斯和比利時(shí)物理學(xué)家恩格勒特預(yù)測(cè)了希格斯玻色子的存在，直到2012年希格斯玻色子才真正被發(fā)現(xiàn)，兩人也因此獲得了2013年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
特性
基本特性
質(zhì)量：每個(gè)基本粒子都有一個(gè)固定的質(zhì)量，不同的基本粒子有不同的質(zhì)量，以電子的質(zhì)量me為單位來(lái)表示基本粒子的質(zhì)量，如質(zhì)子的質(zhì)量等于1836me。
電荷：基本粒子中有的帶電，有的是中性的，凡是帶電的基本粒子所帶的電荷量的絕對(duì)值絕大多數(shù)都和電子所帶的電荷的絕對(duì)值相等，所以通常將電子所帶電荷的絕對(duì)值作為單位，稱為1個(gè)電子電荷，例如質(zhì)子的電荷是+1,中子的電荷是0。
自旋：象電子一樣，每種基本粒子都有內(nèi)稟的自旋運(yùn)動(dòng)，基本粒子的自旋總是整數(shù)或半整數(shù)，如電子、質(zhì)子、中子的自旋都等于1/2，光子的自旋等于1。
壽命：許多基本粒子都是不穩(wěn)定的，它們會(huì)衰變為其它粒子，每個(gè)粒子都有一個(gè)表征它的衰變快慢的量，這就是它的平均壽命，簡(jiǎn)稱壽命，在已發(fā)現(xiàn)的近400種基本粒子中，處于基態(tài)的粒子有30多種，它們是穩(wěn)定的或壽命在10-10秒以上，其余絕大多數(shù)的粒子是共振態(tài)粒子，所謂共振態(tài)，是指基本粒子互相碰撞時(shí)，二、三個(gè)粒子短時(shí)間結(jié)合在一起成為一個(gè)粒子的狀態(tài)，這種狀態(tài)的粒子壽命極短，約在10-24～10-22秒范圍內(nèi)。
宇稱：這是表征粒子波函數(shù)鏡象對(duì)稱性質(zhì)的量，除輕子外，每一種基本粒子都規(guī)定了一個(gè)確定的內(nèi)稟宇稱值+1或-1，+1對(duì)應(yīng)的稱為偶宇稱，-1對(duì)應(yīng)的稱為奇宇稱，各種介子均具有奇宇稱，重子均具有偶宇稱，而一個(gè)系統(tǒng)的總宇稱等于系統(tǒng)的軌道宇稱與各粒子內(nèi)稟宇稱的乘積。
奇異數(shù)：它是表征某些基本粒子由強(qiáng)相互作用產(chǎn)生，弱相互作用衰變的奇異性質(zhì)的量子數(shù)。奇異數(shù)不為零的粒子稱為奇異粒子。如K+介子的奇異數(shù)為1，超子的奇異數(shù)為－1，它們都是奇異粒子。
同位旋及同位旋分量：這是為表征強(qiáng)相互作用的電荷無(wú)關(guān)性而引入的，通常用同位旋第三分量I3來(lái)描述粒子不同的荷電狀態(tài)，例如核子（質(zhì)子和中子)間的核力作用是強(qiáng)相互作用,具有電荷無(wú)關(guān)性,但質(zhì)子帶正電，中子不帶電，所以它們的同位旋均為，但同位旋第三分量不同，質(zhì)子的，中子的。
重子數(shù)：所有的重子都具有重子數(shù)1，非重子的重子數(shù)為0。
輕子數(shù)：所有的輕子都具有輕子數(shù)1，非輕子的輕子數(shù)為0。
相互作用
所有的基本粒子之間都有引力相互作用，但是基本粒子之間的引力作用太弱，通常不考慮。除了引力作用外，基本粒子之間還有強(qiáng)相互作用、弱相互作用、電磁相互作用。
強(qiáng)相互作用只存在于夸克和膠子之間，夸克之間通過(guò)交換膠子發(fā)生強(qiáng)相互作用，膠子之間也可以發(fā)生強(qiáng)相互作用。就像帶有電荷的粒子之間通過(guò)交換光子發(fā)生作用一樣，夸克也帶有某種荷，稱之為色荷。電荷只有一種，而色荷卻有三種，分別稱為紅色、黃色、藍(lán)色。像電荷一樣，色荷也有正、負(fù)之分，紅色的反荷是反紅色，黃色的反荷是反黃色，藍(lán)色的反荷是反藍(lán)色。
弱相互作用、電磁作用、強(qiáng)相互作用的強(qiáng)度差別很大，但在高能情況下，它們的相互作用強(qiáng)度將趨于相同。粒子物理學(xué)家們已經(jīng)建立起了一個(gè)統(tǒng)一電磁相互作用和弱相互作用的理論。
對(duì)稱性和守恒定律
對(duì)稱性和守恒定律也是基本粒子的性質(zhì)之一。實(shí)驗(yàn)表明，在粒子運(yùn)動(dòng)、衰變、轉(zhuǎn)化（包括產(chǎn)生和湮滅）等過(guò)程中，系統(tǒng)仍滿足動(dòng)量守恒、角動(dòng)量守恒、能量守恒和電荷守恒定律。此外，還有一些特殊的守恒定律，如重子數(shù)守恒、輕子數(shù)守恒、同位旋守恒、奇異數(shù)守恒等。
粒子與場(chǎng)的統(tǒng)一性
場(chǎng)和實(shí)物之間存在著不可分割的聯(lián)系，每一種場(chǎng)都有與之相聯(lián)系的基本粒子。例如，與電磁場(chǎng)相應(yīng)的粒子是光子，與強(qiáng)相互作用場(chǎng)相應(yīng)的是介子，與弱相互作用場(chǎng)相應(yīng)的中介粒子是中間玻色子。中間玻色子共有三種：W、Z、粒子，都在20世紀(jì)80年代得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。場(chǎng)正是通過(guò)交換有關(guān)中介粒子實(shí)現(xiàn)場(chǎng)與粒子之間的相互作用的。
場(chǎng)和實(shí)物的統(tǒng)一性還表現(xiàn)在實(shí)物粒子和場(chǎng)在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。例如，電子和正電子相撞擊會(huì)發(fā)生湮滅，轉(zhuǎn)化為光子，即轉(zhuǎn)化為電磁場(chǎng)。反之，在原子核附近的核場(chǎng)中，如果電磁場(chǎng)能量足夠大，也可以生成正負(fù)電子對(duì)。
結(jié)構(gòu)模型
基本粒子內(nèi)部都有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家在基本粒子內(nèi)部建立了強(qiáng)子結(jié)構(gòu)模型、坂田模型、夸克模型、層子模型。
強(qiáng)子結(jié)構(gòu)模型
1949年，恩里科·費(fèi)米和楊振寧提出了第一個(gè)強(qiáng)子結(jié)構(gòu)模型，即費(fèi)米—楊振寧模型。他們認(rèn)為，質(zhì)子（P）和中子（n）是基本的，而π介子（π+、π0、π-）則是由中子、質(zhì)子及其反粒子組成的。這個(gè)模型的基礎(chǔ)是質(zhì)子和中子這兩種粒子。
坂田模型
當(dāng)奇異粒子被發(fā)現(xiàn)后，費(fèi)米一楊振寧模型遇到了困難，因?yàn)橘|(zhì)子和中子都不是奇異粒子，不可能由它們構(gòu)成奇異粒子。為了能把奇異粒子也包括進(jìn)來(lái)，日本物理學(xué)家坂田昌一推廣了恩里科·費(fèi)米——楊振寧模型，他認(rèn)為，質(zhì)子、中子和粒子這三種粒子是最基本的，其他強(qiáng)子都是由它們及其反粒子組成的，這就是1956年提出的坂田模型。坂田把質(zhì)子（P)中子（n）和超子（）作為組成強(qiáng)子的3種粒子。人們常把這3種粒子統(tǒng)稱為坂田粒子。坂田模型對(duì)于基本粒子的研究起著重要的促進(jìn)和開(kāi)創(chuàng)性作用，從而為發(fā)展夸克模型奠定了思想基礎(chǔ)。
夸克模型
1964年，美國(guó)物理學(xué)家默里·蓋爾曼等人分析了重子和介子的對(duì)稱性質(zhì)，提出了著名的夸克模型。蓋爾曼提出了三種類型的夸克（u、d、S）和反夸克（u、d、S）。這一模型能很好地解釋重子和介子的性質(zhì)，預(yù)言超子的存在。蓋爾曼把基本粒子按照規(guī)定被排列成3個(gè)一組、8個(gè)一組或10個(gè)一組。當(dāng)把所有已知的粒子分到各組后，除了3個(gè)粒子組的位置全部空著外，在10個(gè)重粒子組也有1個(gè)位置空著。蓋爾曼提出了這一空缺粒子的存在，并預(yù)先將它命名為粒子。根據(jù)理論默里·蓋爾曼預(yù)言了粒子的參數(shù)。
層子模型
1965年中國(guó)北京基本粒子理論組提出“層子模型”，從結(jié)構(gòu)的角度來(lái)研究重子和介子的衰變和轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。認(rèn)為重子、介子都是由更為基本的層子、反層子所組成，重子、介子的相互作用歸結(jié)為它們內(nèi)部的層子的相互作用。還提出了組成重子、介子的層子波函數(shù)，并假定量子場(chǎng)論對(duì)層子也適用。這一模型對(duì)重子、介子的各種相互作用，特別對(duì)弱相互作用和電磁相互作用的衰變，進(jìn)行了大量的計(jì)算，提出了一個(gè)些預(yù)言，其中絕大部分計(jì)算和預(yù)言同當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。夸克模型和層子模型的提出，標(biāo)志著人類對(duì)于自然界的微觀物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)進(jìn)入到一個(gè)更新的階段。
其他理論性粒子
大理論模型
與標(biāo)準(zhǔn)模型相適應(yīng)的基本粒子間的相互作用理論稱為大統(tǒng)一理論，它力圖把弱、電、強(qiáng)和引力四種相互作用統(tǒng)一起來(lái)，構(gòu)成統(tǒng)一的相互作用理論。弱、電統(tǒng)一理論已獲得了相當(dāng)?shù)某晒?。該理論把弱作用和電磁作用看成是電弱統(tǒng)一作用的二種形式，就如電磁理論中把電力和磁力看成是電磁力的兩種表現(xiàn)形式一樣。參與弱作用的基元費(fèi)米子通過(guò)交換規(guī)范玻色子而發(fā)生作用。電弱統(tǒng)一理論預(yù)言存在4個(gè)規(guī)范玻色子，除光子外,它們就是W±及Z0，它們的靜止質(zhì)量差不多是質(zhì)子的100倍。
1973年強(qiáng)作用的規(guī)范理論獲得了很大發(fā)展,稱為量子色動(dòng)力學(xué)理論（簡(jiǎn)稱QCD)，它與弱、電統(tǒng)一理論相似，以中間玻色子一膠子傳遞強(qiáng)作用。理論假設(shè)存在8種膠子，每個(gè)膠子的靜質(zhì)量為零，以光速傳播，膠子帶一色荷和一反色荷，夸克通過(guò)吸收和發(fā)射膠子而發(fā)生作用，同時(shí)也改變色態(tài)。這種作用是一種非線性效應(yīng)，它使色相互作用的耦合常數(shù)會(huì)隨交換的能量動(dòng)量的增大而減小，正是這種耦合常數(shù)的變化使得高能夸克間的相互作用在r→0時(shí)成為漸近自由的，而當(dāng)r→時(shí)為禁閉的。
超對(duì)稱粒子
超對(duì)稱粒子是標(biāo)準(zhǔn)模型中沒(méi)有設(shè)想到的未知粒子。超對(duì)稱理論認(rèn)為，所有基本粒子都擁有“鏡像”粒子（超對(duì)稱伙伴），但目前還沒(méi)有在自然界中發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。
量子粒子
對(duì)處于不同環(huán)境的粒子的狀態(tài)，量子理論給出不同的虛擬態(tài)，這些虛擬態(tài)粒子被稱為量子粒子。
（1）聲子：固體中微粒的運(yùn)動(dòng)根據(jù)量子理論有兩種狀態(tài)，即機(jī)械振動(dòng)和波動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)可以理解為聲學(xué)的，而波動(dòng)則可以理解為光學(xué)的。這樣可以將處在機(jī)械振動(dòng)中的粒子稱為聲子，以區(qū)別于非量子態(tài)中的實(shí)體粒子。
（2）等離子體：在高溫環(huán)境中氣化的分子或原子可以電離為電子和離子氣體。從一定意義上說(shuō)，等離子體是由其動(dòng)能大于粒子間相互作用勢(shì)能的帶電粒子所組成的實(shí)體。
（3）極化子：被稱作極化子的量子在量子電化學(xué)中很重要。正如聲子對(duì)應(yīng)固體晶格的振動(dòng)一樣，極化與局部電荷導(dǎo)致空穴振動(dòng)的相互作用能有關(guān)。晶體格子內(nèi)的電子同該格子的離子或原子相互作用，并使格子變形（電子-聲子偶合）。格子中電子的快速運(yùn)動(dòng)及電子周?chē)?a href="/hebeideji/5523658833298772095.html">電極化介質(zhì)結(jié)合在一起，稱作“極化子”。極化子說(shuō)明一個(gè)電子有效質(zhì)量往往大于它的真實(shí)質(zhì)量。這是因?yàn)楫?dāng)電子運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶電離子也在運(yùn)動(dòng)，這樣，可以想象電子和離子是糾纏在一起運(yùn)動(dòng)的。
（4）激子：激子是由被束縛的電子-空穴對(duì)組成的。例如半導(dǎo)體中的電子同空穴相互作用，如同電子與核子的相互作用一樣。與能量傳遞討論有關(guān)的激子的另一個(gè)定義是離域電子的激發(fā)態(tài)。其中，激發(fā)能是借助于同相鄰原子或分子的靜電微擾相互作用，從一個(gè)原子或分子傳遞到另一個(gè)遠(yuǎn)程原子。
超弦理論
超弦理論認(rèn)為，自然界中最基本的構(gòu)成單位并不是點(diǎn)狀的粒子，而是長(zhǎng)度極小的一維“弦”。弦向各個(gè)方向（維度）振動(dòng)，就能變成各種各樣的基本粒子。
Preon理論
在這個(gè)理論中，夸克和電子不再是基本構(gòu)成單元了。從兩個(gè)粒子家族出發(fā)的，一個(gè)是里肖恩家族，一個(gè)是反里肖恩家族。在里肖恩家族中，有一個(gè)帶有三分之一電荷的粒子，稱為“凸弧”；另一個(gè)中性的粒子，稱為“凹波弧”。相應(yīng)的情況，在反里肖恩家族中，有“反凸弧”帶有負(fù)三分之一的電荷“反凹波弧”是中性的，要構(gòu)成一個(gè)電子，需要使用3個(gè)“反凸弧”，構(gòu)成1個(gè)上夸克，需要使用2個(gè)“凸弧”和1個(gè)“凹波弧”，這樣得出的結(jié)果，看起來(lái)是令人信服的：哈拉里的“里肖恩”智力拼板，能準(zhǔn)確地得出像標(biāo)準(zhǔn)模型中那樣多的粒子組合的可能性，具體的表示是：標(biāo)準(zhǔn)模型中的24種粒子，是可以歸結(jié)到是由4個(gè)更小的原始粒子組合而成的。
藝彩理論
以乏味的質(zhì)子作為立論的出發(fā)點(diǎn)。質(zhì)子是由被膠子綁定在一起的夸克構(gòu)成的，膠子負(fù)責(zé)傳遞強(qiáng)核力，然而質(zhì)子大部分的質(zhì)量不是來(lái)自夸克而是來(lái)自內(nèi)部的綁定蘊(yùn)含的能量。這些色荷的相互作用是強(qiáng)核力在當(dāng)今宇宙低能狀態(tài)下的表現(xiàn)。如果在早期宇宙中，類似的機(jī)制能夠在更高的能量條件下生效，那就可以解釋為什么像夸克這樣的基本粒子本身就具有質(zhì)量，而不需要希格斯粒子。這是一個(gè)光明的新前景，他們稱為“藝彩理論”。
但是藝彩理論的數(shù)學(xué)推導(dǎo)很困難，而且它提出的少數(shù)可驗(yàn)證預(yù)測(cè)也并不怎么符合大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在2001年之前，該對(duì)撞機(jī)一直是歐洲核子研究中心的主要加速器。通過(guò)對(duì)該理論進(jìn)行微調(diào)，人們緩解了其中的一些問(wèn)題，但是藝彩理論的光環(huán)還是很快就褪去了。
加速子理論
加速子是假設(shè)的次原子粒子，將新發(fā)現(xiàn)的中微子質(zhì)量與推測(cè)加速宇宙膨脹的暗能量緊密相連。在這個(gè)理論中，中微子受到一種新力的影響，這種力是由它們與加速度子相互作用產(chǎn)生的，導(dǎo)致暗能量。 當(dāng)宇宙試圖將中微子拉開(kāi)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生暗能量。加速度子被認(rèn)為與中微子的相互作用比與中微子的相互作用更少。
參考資料 >
基本粒子.術(shù)語(yǔ)在線.2023-12-08