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保羅·基伯德-倫敦布魯內(nèi)爾大學粒子物理信息學高級講師
在宇宙大爆炸之后，輕子的時代持續(xù)了9秒鐘--圖像信用：銀威臣SimonVilleneuve通過維基共享
人們常說，古希臘人第一次發(fā)現(xiàn)沒有大小的物體，卻能夠通過它們的相互作用來建立我們周圍的世界。當我們能夠用越來越強大的顯微鏡觀察世界時，自然會想知道這些物體是由什么組成的。
我們相信我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一些這樣的物體：亞原子粒子，或者沒有尺寸的基本粒子，它們不可能有亞結(jié)構(gòu)。我們現(xiàn)在試圖解釋這些粒子的性質(zhì)，并努力展示這些粒子如何被用來解釋宇宙的內(nèi)容。
有兩種類型的基本粒子：物質(zhì)粒子，其中一些結(jié)合在一起產(chǎn)生我們周圍的世界，和力粒子-其中之一，光子，負責電磁輻射。這些被分類為粒子物理的標準模型它從理論上說明了物質(zhì)的基本構(gòu)成塊是如何相互作用的，是由基本力量支配的。物質(zhì)粒子是費米子，力粒子是玻色子。
物質(zhì)粒子：夸克和輕子
物質(zhì)粒子被分成兩類：夸克和輕子--其中有六個，每個有一個對應(yīng)的伙伴。
輕子分為三對。每對都有一個帶電荷的基本粒子和一個沒有電荷的基本粒子--一個要輕得多，而且很難檢測到。其中最輕的是電子和電子中微子。
帶電的電子對電流負責。它的未充電伙伴，被稱為電子中微子，是在太陽中大量產(chǎn)生的，它們與周圍環(huán)境的相互作用是如此微弱，以至于它們不受阻礙地通過地球。每一秒、每一天、每夜，它們都會穿過你身體的每一平方厘米。
電子中微子是以難以想象的數(shù)量產(chǎn)生的。在超新星爆炸中正是這些粒子將核燃燒產(chǎn)生的元素分散到宇宙中。這些元素包括我們所用的碳，我們呼吸的氧氣，以及地球上幾乎所有的東西。因此，盡管中微子不愿與其他基本粒子相互作用，但它們對我們的存在至關(guān)重要。另外兩個中微子對(稱為μ子和μ子中微子、τ中微子和τ中微子)似乎只是電子的更重版本。
由于正常物質(zhì)不包含這些粒子，它們似乎是不必要的并發(fā)癥。不過在第一到十秒鐘內(nèi)在宇宙大爆炸之后，他們在建立我們所生活的宇宙的結(jié)構(gòu)方面扮演著至關(guān)重要的角色--被稱為“Lepton時代”(Lepton Epoch)。
這六個夸克也被分成三對，它們的名字都是異想天開的：“向上”加上“向下”，“魅力”與“奇怪”，“頂部”與“底部”(以前被稱為“真理”和“美”，但遺憾的改變)。上、下夸克聚集在一起，形成位于每個原子中心的質(zhì)子和中子。同樣，在正常物質(zhì)中，只有最輕的一對夸克被發(fā)現(xiàn)，魅力/奇怪和頂部/底部對在宇宙中似乎沒有任何作用，因為它現(xiàn)在存在，但是，就像重輕子一樣，在宇宙的早期時刻扮演了一個角色，并幫助創(chuàng)造了一個適合我們存在的夸克。
力粒子
標準模型中有六種力粒子，創(chuàng)造了相互作用物質(zhì)粒子之間。他們被分成四種基本力引力、電磁力、強力和弱力。
光子是光的粒子負責電場和磁場，由光子從一個帶電物體交換到另一個物體。
膠子產(chǎn)生的力負責將夸克凝聚在一起形成質(zhì)子和中子，并將這些質(zhì)子和中子聚集在一起形成更重的原子核。
三個名為“W+”、“W-”和“Z-”的粒子--稱為中間矢量玻色子--負責放射性衰變的過程。陽光下的過程，使它發(fā)光。第六種力粒子，即引力子，被認為是引起引力的原因，但是還沒有被觀察到.
反物質(zhì)：科幻現(xiàn)實
我們也知道反物質(zhì)的存在。這是一個深受科幻作家喜愛的概念，但它確實存在。反物質(zhì)粒子經(jīng)常被觀察到。例如，正電子(電子的反粒子)在醫(yī)學上被用來測繪我們的內(nèi)臟。正電子發(fā)射層析成像(寵物)。著名的是，當一個粒子遇到它的反粒子時，它們會相互湮滅，產(chǎn)生一股能量爆發(fā)。PET掃描儀用于檢測這一點。
上面的每一個物質(zhì)粒子都有一個質(zhì)量相同但電荷相反的伴粒子，所以我們可以將物質(zhì)粒子的數(shù)量(六個夸克和六個輕子)加倍，最終達到24。
我們給出物質(zhì)夸克數(shù)+1，反物質(zhì)夸克值-1。如果我們把物質(zhì)夸克的數(shù)量加上反物質(zhì)夸克的數(shù)量相加，我們就可以得到宇宙中夸克的凈數(shù)量，這是不變的。如果我們有足夠的能量，只要我們同時創(chuàng)造一個反物質(zhì)夸克，我們就可以制造出任何一個物質(zhì)夸克。在宇宙的早期時刻，這些粒子是連續(xù)產(chǎn)生的--現(xiàn)在它們只是在宇宙射線與行星和恒星大氣層的碰撞中產(chǎn)生的。
著名的希格斯玻色子
最后一個粒子完成了粒子的點名，這是迄今為止所描述的粒子物理學的標準模型。這是50年前彼得希格斯預(yù)言的希格斯粒子，他的CERN的發(fā)現(xiàn)2012年，希格斯和弗朗索瓦·恩格勒特獲得諾貝爾獎。
希格斯玻色子是一個奇怪的粒子：它是標準模型粒子中第二個最重的粒子，它抗拒一個簡單的解釋。人們常說它是質(zhì)量的來源，這是正確的，但卻具有誤導性。它給夸克以質(zhì)量，夸克構(gòu)成質(zhì)子和中子，但只有2%的質(zhì)子和中子是由夸克提供的，其余的來自膠子中的能量。
在這一點上，我們已經(jīng)計算了標準模型所要求的所有粒子：六個力粒子，24個物質(zhì)粒子和一個希格斯粒子--總共31個基本粒子。盡管我們對它們所知甚少，但它們的性質(zhì)還沒有得到很好的測量，因此我們可以肯定地說，這些粒子是我們所看到的宇宙所需要的一切，我們當然也是這樣做的。不是所有的答案。的下一輪大型強子對撞機將允許我們改進我們對這些特性的測量--但是還有其他的東西。
拉特強子對撞機-圖像信用D-愿景通過Shutterstock-HDR調(diào)由環(huán)球-Sci
然而這個理論仍然是錯誤的。
美麗的理論，標準模型，經(jīng)過了二十多年的測試和再測試；我們還沒有做一個與我們的預(yù)測相矛盾的測量。但我們知道標準模型一定是錯的。當我們將兩個基本粒子碰撞在一起時，可能會有許多結(jié)果。我們的理論允許我們計算任何特定結(jié)果可能發(fā)生的概率，但在我們迄今取得的能量之外，它預(yù)測其中一些結(jié)果發(fā)生的概率大于100%--顯然是胡說八道。
理論物理學家們一直在努力構(gòu)建一個在所有能量下都能給出合理答案的理論，同時在所有測試標準模型的情況下給出與標準模型相同的答案。
最常見的修飾意味著有很重的未被發(fā)現(xiàn)的粒子。事實上，它們是沉重的，意味著需要大量的能源來生產(chǎn)它們。這些額外粒子的性質(zhì)可以被選擇，以確保得到的理論在所有能量下都能給出合理的答案，但它們對與標準模型非常一致的測量沒有任何影響。
這些未被發(fā)現(xiàn)和尚未發(fā)現(xiàn)的粒子的數(shù)量取決于你選擇相信哪種理論。這些理論中最流行的一類叫做超對稱理論和它們意味著，我們看到的所有粒子都有一個更重的對應(yīng)物。然而，如果它們太重，在這些粒子被發(fā)現(xiàn)之前，我們所能產(chǎn)生的能量就會出現(xiàn)問題。但是能量將會到達下一輪大型強子對撞機如果沒有新粒子就會對所有超對稱理論造成打擊。
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