千年以來(lái)，人類一直思索著兩個(gè)最基本的問(wèn)題：
世界是由什么構(gòu)成的？
又是什么把物質(zhì)緊緊地束縛在一起？
我們之所以不斷地在思考著兩個(gè)問(wèn)題，是因?yàn)榇鸢覆粌H跟我們息息相關(guān)（可閱讀今天的第二篇推文《關(guān)于你的粒子物理學(xué)》），也是理解塑造宇宙背后的定律的關(guān)鍵。
粒子物理學(xué)正是這樣一門學(xué)科，它研究的是構(gòu)成萬(wàn)物的基本粒子，以及這些粒子之間是如何相互作用的。在科學(xué)史上，粒子物理學(xué)的研究涉及了最大、最復(fù)雜、最精密的實(shí)驗(yàn)。從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，粒子物理學(xué)也被應(yīng)用在了方方面面——從固體物理到醫(yī)學(xué)診斷再到分布式計(jì)算。
△ 粒子物理學(xué)不僅改變了我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)，同時(shí)它也在其它科學(xué)領(lǐng)域、教育、生活質(zhì)量上都做出了重大的貢獻(xiàn)。（圖片來(lái)源：Sandbox Studio, Chicago）
現(xiàn)在，我們通過(guò)下面的十個(gè)問(wèn)題，來(lái)一場(chǎng)粒子物理學(xué)的探索之旅吧！
1. 剛才提到了基本粒子，這邊的“基本”有什么特別含義嗎？
當(dāng)我們說(shuō)“基本粒子”的時(shí)候是指不能再由更小的粒子構(gòu)成的粒子。而基本粒子又分為兩類：費(fèi)米子（Fermion）和玻色子（Boson）。
在日常生活中，我們看見(jiàn)的所有東西，包括我們自己，都是由原子組成的。兩千多年前，德謨克利特就提出物質(zhì)是由不可分割的原子組成的。但是直到1897年，湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子后，才提出了第一個(gè)現(xiàn)代原子模型。
△ 圖1：湯姆遜原子模型：呈圓球狀的原子，充斥著正電荷，而帶負(fù)電荷的電子則像一粒粒葡萄干鑲嵌其中。（圖片來(lái)源：Benjamin）
不久后，實(shí)驗(yàn)家試圖“窺視”原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并驚奇的發(fā)現(xiàn)，原子其實(shí)是由極小但是密度較高帶正電的原子核和圍繞著原子核帶負(fù)電的電子組成的。
很快，物理學(xué)家又發(fā)現(xiàn)原子核是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成的。然而，這并沒(méi)有阻止物理學(xué)家繼續(xù)探索更基本的可能性，結(jié)果就是他們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子其實(shí)都是由更小的夸克組成的！
△ 原子的結(jié)構(gòu)：中間的原子核由質(zhì)子和中子組成，而質(zhì)子和中子則由更小的夸克構(gòu)成，圍繞著原子核的是電子。（圖片來(lái)源：CERN）
就目前所知，夸克和輕子（如電子）是最基本的。所有的夸克和輕子都屬于基本費(fèi)米子。所有的粒子都具有自旋（粒子具有的內(nèi)稟性質(zhì)，相關(guān)但不等同于經(jīng)典力學(xué)的角動(dòng)量）的性質(zhì)，費(fèi)米子的自旋為半整數(shù)（1/2、3/2...)，而且都遵守費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)（在統(tǒng)計(jì)力學(xué)中用來(lái)描述由大量滿足泡利不相容原理的費(fèi)米子組成的系統(tǒng)中，粒子處在不同量子態(tài)上的統(tǒng)計(jì)規(guī)律）。
△ 費(fèi)米子：左邊是三代夸克上(u)、下(d)、粲(c)、奇(s)、底(t)及頂(b)；右邊是三代輕子：電子(e)、μ介子和τ介子，以及它們相應(yīng)的中微子(ν)。（圖片來(lái)源： Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova）
另一方面，所謂的玻色子，是自旋為整數(shù)（0、1、2..)的粒子，并且遵守玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)（與費(fèi)米子不一樣，玻色子在某一個(gè)能級(jí)下，可以容納無(wú)限個(gè)粒子，因而是符合玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)分布的粒子）。玻色子包括：光子、W玻色子、Z玻色子、膠子、希格斯玻色子（后面會(huì)提到）。這些粒子被稱為載力粒子，它們是傳遞基本力的媒介粒子。每一種玻色子都跟四種基本力的一種有關(guān)，比如電磁力是由光子傳遞的。
△ 圖中顯示的玻色子有：膠子(g)、希格斯玻色子(H)、W玻色子和光子(γ)。（圖片來(lái)源： Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova）
簡(jiǎn)單的說(shuō)，這些載力粒子就是兩個(gè)粒子之間的信使?；玖褪峭ㄟ^(guò)載力粒子的交換而產(chǎn)生的，這已經(jīng)得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)大力的支持。
△ 基本力的產(chǎn)生是通過(guò)載力粒子交換而產(chǎn)生的。（圖片來(lái)源：Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova）
這些基本粒子都是非常非常小的，有多?。咳绻信d趣建議閱讀：《基本粒子有多少？》。
2. 上面提到了基本力，能不能多解釋一點(diǎn)？有時(shí)看到文章說(shuō)基本力，有時(shí)又看到說(shuō)基本相互作用，這兩則之間有區(qū)別嗎？
物理學(xué)家經(jīng)過(guò)過(guò)去一個(gè)世紀(jì)的努力，已經(jīng)搞清楚了自然界中共有四個(gè)基本力，所有的力都可以被歸納為這四種基本力。例如，日常生活中我們熟悉的摩擦力、磁力、引力、原子核衰變等等都是由這四種基本力之一所引起的。
△ 四種基本力：引力（Gravity）、電磁力（Electromagnetism）、強(qiáng)核力（Strong）和弱核力（Weak）。（圖片來(lái)源：One Universe At a Time）
如果按強(qiáng)弱懸殊來(lái)排列著四種力的話，它們分別是強(qiáng)核力（將原子核束縛在一起），電磁力（導(dǎo)致指南針指向北方），弱核力（是它太陽(yáng)才能夠?yàn)槲覀兲峁┠芰浚约?strong>引力（造成蘋果落在地上）。它們的媒介粒子分別是膠子、光子、W±/Z玻色子和假想的引力子。（可以進(jìn)一步閱讀《一場(chǎng)基本力之間的較量》，從另一個(gè)角度回答哪個(gè)基本力最強(qiáng)。）
△ 大統(tǒng)一理論：三種基本力在高能下會(huì)統(tǒng)一在一起。（圖片來(lái)源：CERN）
物理學(xué)家的夙愿是統(tǒng)一這四種基本力。在高能下，電磁力和弱核力的確已經(jīng)被統(tǒng)一成電弱力。一些物理學(xué)家認(rèn)為，在更高的能量下——遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了我們目前在實(shí)驗(yàn)所能達(dá)到的能量——強(qiáng)核力、弱核力和電磁力會(huì)統(tǒng)一成一個(gè)“大統(tǒng)一”的力。這樣的一個(gè)理論被稱為“大統(tǒng)一理論”（GUT）。
有許多物理學(xué)家也經(jīng)常隨意地使用“基本力”和“基本相互作用”。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，力是因?yàn)橐粋€(gè)粒子的存在影響了另一個(gè)粒子；而粒子的相互作用包括了全部影響它的力，也包括了粒子可能經(jīng)歷的衰變和湮滅。因此“相互作用”的用法更加準(zhǔn)確。通常你可以隨意使用兩者，但必須記住它們間的區(qū)別。
3. 物理學(xué)家用什么工具來(lái)探索這些粒子？
為了探索這些粒子，我們面臨了兩個(gè)問(wèn)題：
我們不能夠用光來(lái)探索這些粒子的結(jié)構(gòu)，因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)太長(zhǎng)了。
如何產(chǎn)生那些物理學(xué)家想要研究的大質(zhì)量的粒子？
為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，物理學(xué)家就需要粒子加速器。
物理學(xué)家無(wú)法用光來(lái)探索這些粒子的結(jié)構(gòu)，因?yàn)楣獾牟ㄩL(zhǎng)太長(zhǎng)了。為了看到最小的粒子，物理學(xué)家需要波長(zhǎng)盡可能小的粒子。但是，在自然界中大多數(shù)的粒子都具有相當(dāng)長(zhǎng)的波長(zhǎng)。物理學(xué)家如何把粒子的波長(zhǎng)減少，使粒子可以成為探子呢？我們要記住一個(gè)事實(shí)：所有的粒子都具有波的性質(zhì)，即所謂的波粒二象性。由于能量和頻率是正比的，能量和波長(zhǎng)是反比的。因此當(dāng)粒子在加速器中被加速到越高的能量時(shí)，波長(zhǎng)足夠小到可以穿進(jìn)原子內(nèi)部。
△ 質(zhì)能等價(jià)：E代表能量，m代表質(zhì)量，c代表光速。
接著我們需要知道愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論。該理論最深刻的洞見(jiàn)就是發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量和能量之間可以相互轉(zhuǎn)換，物體的運(yùn)動(dòng)速度越接近光速，它的質(zhì)量就變的越大。結(jié)果就是，在加速器中的粒子被加速到越接近光速，它們獲得的能量就越高。如此就可以創(chuàng)造出很多不穩(wěn)定的大質(zhì)量粒子，進(jìn)而研究它們的性質(zhì)。
4. 目前世界上最大的粒子加速器是哪個(gè)？在加速器中要怎么探測(cè)各種各樣的粒子？
歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）是世界上最強(qiáng)大的粒子加速器。它將兩束質(zhì)子加速至非常高的能量，繞著周長(zhǎng)27公里的環(huán)形軌道不斷加速，并將它們進(jìn)行對(duì)撞。對(duì)撞并不是發(fā)生在任意的地方，而是固定的對(duì)撞點(diǎn)，它們被探測(cè)器包圍著。
△ 大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC。（圖片來(lái)源：Wikipedia）
最出名、最大的兩個(gè)粒子探測(cè)器是ATLAS和CMS。除了這兩個(gè)，還有LHCb、ALICE、TOTEM、MoEAL和LHCF。它們都肩負(fù)著不同的使命在尋找、研究不同的粒子。
一個(gè)典型的現(xiàn)代探測(cè)器包括了四個(gè)主要部件：追蹤室（Tracking）、電磁熱量計(jì)（E-M Calorimeter）、重子熱量計(jì)（Hadron Calorimeter）和介子室（Muon Chambers）。每一個(gè)部件都負(fù)責(zé)探測(cè)不同的粒子，比如下圖：
△ ATLAS探測(cè)器。（圖片來(lái)源：ATLAS）
上圖中的虛線表示探測(cè)器探測(cè)不到的粒子，比如中微子（Neutrino），因?yàn)橹形⒆踊静慌c粒子作用。我們只能由缺少的物質(zhì)或能量來(lái)推論中微子的存在。
注意事項(xiàng)：
帶電粒子，比如電子（Electron）和質(zhì)子（Proton），只能在追蹤室和電磁熱量計(jì)中被探測(cè)到。
在追蹤室中，我們無(wú)法探測(cè)到中性粒子，比如中子（Neutron）和光子（Photon）。只有當(dāng)他們與探測(cè)器作用時(shí)，我們才能察覺(jué)到它們的存在。借由電磁熱量計(jì)可以探測(cè)光子，而中子可由其在強(qiáng)子熱量計(jì)觀測(cè)到。
每一種粒子在探測(cè)器中都有其獨(dú)特的行為。比如，如果物理學(xué)家只有在電磁熱量計(jì)中才探測(cè)到某個(gè)粒子，那探測(cè)到的粒子一定是光子。
5. 還有其它類型的加速器嗎？
LHC是環(huán)形加速器，美國(guó)的相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)（RHIC）也是另一個(gè)比較有名的。
△ 三種不同的粒子加速器：同步加速器，回旋加速器和直線加速器。（圖片來(lái)源： Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova）
但除了環(huán)形加速器，還有其它種類的加速器，比如直線加速器。中國(guó)、日本都有計(jì)劃建設(shè)下一代的加速器，詳情可閱讀《一場(chǎng)科學(xué)“對(duì)撞”背后的物理》。
6. 還有其它研究粒子的方法嗎？
當(dāng)然，除了在加速器自己去創(chuàng)造粒子，還有許多的粒子來(lái)自外太空的天文現(xiàn)象，比如爆炸中的恒星或黑洞等等。例如，太陽(yáng)除了輻射出光以外，還輻射了大量的中微子。世界上有許多大型的實(shí)驗(yàn)都在捕捉中微子，但中微子跟物質(zhì)的作用非常微弱，因此極難被探測(cè)到，對(duì)中微子的研究或許是通往“新物理”（見(jiàn)問(wèn)10）的突破點(diǎn)。
△ 中國(guó)大亞灣核反應(yīng)堆中微子實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)因探測(cè)到了中微子振蕩而獲得了2016年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)。（圖片來(lái)源：Wikipedia）
關(guān)于如何探測(cè)中微子可進(jìn)一步閱讀《在魔幻般的世界，尋找幽靈般的粒子》。
7. 我想知道描述這些粒子背后的理論是什么樣的？
到目前為止，你看到的都是一些基本粒子，它們都很容易記住。這些基本粒子又可以組成許多的復(fù)合粒子，比如中子和質(zhì)子以及上百種其它的粒子。
而描述這些粒子以及它們之間的相互作用的理論叫做粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。通常提到標(biāo)準(zhǔn)模型，你會(huì)看到類似一張這樣的圖：
△ 標(biāo)準(zhǔn)模型：包含了六個(gè)夸克、六個(gè)輕子、以及玻色子。（圖片來(lái)源：CERN）
標(biāo)準(zhǔn)模型包含了三個(gè)群：SU(3)、SU(2)和U(1)。每個(gè)群都代表一個(gè)規(guī)范相互作用。強(qiáng)相互作用的規(guī)范群是SU(3)，而電弱作用的規(guī)范群是SU(2)×U(1)。所以標(biāo)準(zhǔn)模型也被稱為SU(3) × SU(2) × U(1)。而標(biāo)準(zhǔn)模型背后的數(shù)學(xué)公式看起來(lái)是這樣的：
△ 標(biāo)準(zhǔn)模型的拉格朗日量L等于這個(gè)方程.......（圖片來(lái)源： T.D. Gutierrez）
如果想進(jìn)一步了解該方程可閱讀《簡(jiǎn)潔又美麗的標(biāo)準(zhǔn)模型方程》。
（注：很多人可能會(huì)對(duì)群論的概念會(huì)比較陌生，未來(lái)將在《萬(wàn)有理論》系列文章中的《大統(tǒng)一理論》中詳細(xì)介紹。）
8. 2012年的時(shí)候，科學(xué)家在LHC找到了希格斯玻色子，究竟什么是希格斯玻色子？玻色子意味著它是一種力嗎？
在1960年代，標(biāo)準(zhǔn)模型慢慢地被拼湊在一起，然而理論物理學(xué)家卻發(fā)現(xiàn)他們無(wú)法解釋為什么基本粒子會(huì)有不同的質(zhì)量。
1964年，三個(gè)不同小組（包括： Higgs, Brout, Englert, Guralnik, Hagen, 和 Kibble）分別提出一個(gè)解決方案，只要引進(jìn)一個(gè)新的場(chǎng)就可以解決問(wèn)題了。雖然是六個(gè)人一起發(fā)現(xiàn)的，但通常只被稱為希格斯場(chǎng)。而跟希格斯場(chǎng)相聯(lián)系的粒子就是自旋為零的希格斯玻色子。下面我們通過(guò)三幅漫畫了解基本粒子是如何通過(guò)希格斯場(chǎng)獲得質(zhì)量的：
（圖片來(lái)源：CERN）
一群物理學(xué)家聚在一個(gè)雞尾酒派對(duì)中，他們安靜的談話著，就好比空間充滿了希格斯場(chǎng)。
（圖片來(lái)源：CERN）
在某個(gè)時(shí)刻，愛(ài)因斯坦突然走進(jìn)了派對(duì)之中，當(dāng)他穿過(guò)人群的時(shí)候造成了小騷動(dòng)，他的仰慕者紛紛向他靠攏。
（圖片來(lái)源：CERN）
在走進(jìn)房間之前，愛(ài)因斯坦可以自由的移動(dòng)。但是當(dāng)他走進(jìn)一個(gè)滿是物理學(xué)家的派對(duì)時(shí)，他的移動(dòng)速度變慢了，仰慕者使他難以行動(dòng)。換句話說(shuō)，他獲得了質(zhì)量。這就好比是無(wú)質(zhì)量的粒子通過(guò)跟希格斯場(chǎng)作用而獲得質(zhì)量。
另外，我們?cè)谇懊娴膯?wèn)題中提到了，每個(gè)玻色子都跟基本力有關(guān)系。那希格斯玻色子是否暗示著存在一種新的力？這是個(gè)很值得探討的問(wèn)題。
一個(gè)場(chǎng)要產(chǎn)生一個(gè)力需要滿足三個(gè)條件：場(chǎng)必須可以開(kāi)和關(guān)；它必須有一個(gè)偏好的方向；它也必須可以吸引或排斥。
通常希格斯場(chǎng)不滿足前兩個(gè)——它總是開(kāi)的，沒(méi)有偏好的方向。但是由于希格斯玻色子的存在，場(chǎng)會(huì)被干擾，理論上允許產(chǎn)生力。姑且稱之為希格斯力吧。
但是這個(gè)力在宇宙中扮演什么樣的角色仍然還是個(gè)謎題。我們知道希格斯場(chǎng)對(duì)于產(chǎn)生穩(wěn)定物質(zhì)是必須的。但就目前所知，希格斯力并不一定。
希格斯力可能對(duì)于暗物質(zhì)的存在，或物質(zhì)與反物質(zhì)不對(duì)稱非常重要。我們還不清楚細(xì)節(jié)，2012年首次發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子僅僅只是個(gè)開(kāi)始，因此目前LHC的主要目標(biāo)之一就是發(fā)現(xiàn)更多希格斯玻色子，更加深入的研究它們的性質(zhì)。
9. 粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型還有那些未回答的問(wèn)題？
有很多，例如：
什么是暗物質(zhì)？（可閱讀《探索宇宙的黑暗面》）
等級(jí)問(wèn)題：為什么引力比其它的基本力弱很多？
尋找無(wú)中微子雙β衰變：中微子是自己的反粒子嗎？
強(qiáng)-CP問(wèn)題：為什么只有弱核力違反宇稱守恒，而跟它相似的強(qiáng)核力卻不違反？
重子不對(duì)稱：理論上，在宇宙大爆炸的時(shí)候應(yīng)該產(chǎn)生同樣多的物質(zhì)和反物質(zhì)，但為什么今天我們看到的宇宙主要是由物質(zhì)構(gòu)成？（可閱讀《為什么我們都是由物質(zhì)組成？而不是反物質(zhì)？》）
質(zhì)子會(huì)衰變嗎？
等等。
（注：有一些未解之謎已經(jīng)或?qū)?huì)在《萬(wàn)有理論》系列文章中詳細(xì)討論。）
10. 經(jīng)?？吹轿恼抡f(shuō)“新物理”是指什么？
“新物理”通常是指超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論，這些理論除了要復(fù)制標(biāo)準(zhǔn)模型的成功，還必須解釋標(biāo)準(zhǔn)模型不能回答的問(wèn)題。這樣的理論有許多。其中一個(gè)最受推崇的是超對(duì)稱理論。超對(duì)稱除了能夠解釋許多問(wèn)題（比如暗物質(zhì)和等級(jí)問(wèn)題），物理學(xué)家認(rèn)為它能夠被LHC驗(yàn)證（詳見(jiàn)《超對(duì)稱的崛起和衰落》）。
除了那些未被驗(yàn)證的新理論，有一部分物理學(xué)家把希望寄予中微子的身上。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子是沒(méi)有質(zhì)量的。然而，在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)中微子具有非常小的質(zhì)量，這是目前發(fā)現(xiàn)的唯一有堅(jiān)實(shí)實(shí)驗(yàn)證據(jù)超出標(biāo)準(zhǔn)模型的現(xiàn)象。
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