聊粒子-粒子的分类

27 2月

二战为人类研究粒子提供了契机,政府拨巨款建造了各种实验室和器材,人类发现了放射性,核裂变,核聚变,依次造出了原子弹,氢弹。

二战结束后,到了1950年随着加速器的发展,实验设备已经不是之前实验室内的小装置小器械了,转为大型加速器和对撞机。

从开始几MeV,到后来几百GeV,到现在几TeV。就像内存条,从几M,到几G,到几T。实验设备的升级让发现新粒子已经松溪平常,拿不到诺奖了。

人类在实验中发现了上百种新粒子。开始还用各种符号命名,什么λ,Σ,δ,ξ,Ω等,随着新粒子越来越多,符号都不够用了。物理学家们开始研究这些粒子内在性质并归类。

人类先整理了粒子的基本属性,有大小,质量,寿命,电荷量等。

按质量分类,可以分为轻子,介子,核子,超子。

质子和中子都在原子核里,而且质量差不多所以叫“核子”。比核子轻的叫“轻子”。质量在电子和核子之间的粒子叫“介子”。质量大于核子的叫“超子”。另外核子和超子也统称为“重子”

如果听到什么轻子,重子,超子等,别误会,它们不是粒子的名称,而是粒子的分类的名称。

当然按质量来区分粒子实在太low,这套分类方式已经被抛弃,知道一下就行。

按寿命分类,可以分为永生,长寿,普通粒子。

粒子的寿命指的是:粒子处于静止自由状态时看它什么时候衰变。只要衰变了就算它死了。

粒子是高速运动的,根据爱因斯坦相对论的时间变换公式,通过粒子的速度可以算出粒子的寿命。速度越接近光速,时间越慢,寿命越长。

质子,中微子,电子的寿命长,叫“长寿粒子”。这很容易理解,如果质子电子寿命短,物质世界就不稳定了,人类也将不存在。

质子的寿命甚至能达到10的33次方年。中微子寿命也很长,南极冰立方收到了37亿光年外发射来的中微子,这颗中微子起码在宇宙里流浪了37亿年。

中子在原子核里很稳定,寿命很长。但当中子离开原子核,处于静止自由状态时,寿命大概有881.5秒,差不多15分钟后自由中子就会衰变成质子和中微子。虽然和质子不能比,但也算长寿了。

其他粒子,如介子,超子等,寿命低于10的-5秒,最短的大约是10的-25秒。

所以日常生活中我们只见过质子,中子,电子,其他都没怎么见过,原因就是它们实在太短命了,很难被观测到。

光子属于例外,光子没有静止质量,以光速运行,没有时间的概念,所有光子永远不会衰变,寿命无限长。光子永生太bug了,属于特例。

按自旋分类,可以分为费米子,玻色子。

现在都不按质量或寿命分类了,除了听上去比较low,逼格不高外,本质原因是这些属性还不算粒子最最基本的属性。例如人可以分为男人和女人,性别是最基本的属性,但将人分为胖子和瘦子就不太合适,质量没有性别更基本。

粒子最基本的属性是什么呢?自旋和作用力。

自旋这个名字起的有点误导,先解释下自旋的意思。

人们发现粒子有角动量,角动量就是定轴转动的剧烈程度。用日常生活来类比就是:花样滑冰。

运动员先蹲着,然后将手脚伸开,由一个极慢的速度开始转动,转动时运动员不断站起来,把手脚都收回来,最后将双手伸到头顶,整个人是非常纤细的状态,这样就能达到一个极高的转速,这本质上就是角动量。行星运行也是角动量。

粒子具有角动量,但它并不真的转动,所以起名叫“自旋”。

粒子不转动就能具有角动量,就好像粒子在旋转一样。你不要试图去理解这种现象,这种现象在日常生活中没有先例。只能说这是粒子的内禀属性,它就是天生具有角动量,你只需要知道,不需要理解。

自旋为半整数的粒子叫“费米子”,自旋为0或整数的粒子叫“玻色子”。

自旋为0的粒子从各个方向看都一样,就像一个点。自旋为1的粒子在旋转360度後看起来一样。自旋为2的粒子旋转180度,自旋为1/2的粒子必须旋转2圈才会一样。

可以对照粒子物理标准模型图看一下,左半部分是费米子,右半部分是玻色子。

按作用力分类,可以分为轻子,强子,规范玻色子,标量玻色子。

参与强相互作用的叫“强子”,不参与强相互作用的叫“轻子”。现在轻子强子已经有了更明确的意义,并不一定质量小就叫轻子,也不一定质量大的就叫强子。

强子分为“介子”和“重子”。介子和重子的定义也不再是由质量区分了。

介子由一个正夸克和一个反夸克组成,自旋为整数,都是玻色子。重子由三个夸克组成,例如质子和中子,自旋为半整数,都是费米子。

轻子属于费米子,没有内部结构。所以电子,μ子,中微子是基本粒子。轻子就6种,强子可多了去了,难道上帝偏爱强子吗?物理学家可不这么认为,认为强子一定还有内在规律,有更本质的特性,即夸克。

除了轻子和强子外,还有用于传递基本作用力的“规范玻色子”,例如光子,胶子,W+-,Z0等。光子传递电磁力,胶子传递强力,W+-和Z0传递弱力,传递引力的媒介粒子至今未被发现。

最后还有通过赋予规范玻色子质量的场(希格斯场)中激发出来的粒子“希格斯玻色子”。

可以对照粒子物理标准模型图看一下,绿色区域轻子,不参与强力。紫色区域夸克,组成介子和重子,参与强力。红色部分是规范玻色子,右上角黄色的希格斯玻色子比较特殊,独立一块。

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