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量子力學中的粒子理論發展過程

我們說本章要介紹粒子世界,主要是介紹基本粒子。不包含分子,原子這些內容。

在標準模型理論里共61種基本粒子(見表)包含費米子及玻色子。費米子為擁有半奇數的自旋並遵守泡利不相容原理(這原理指出沒有相同的費米子能佔有同樣的量子

態)的粒子;玻色子則擁有整數自旋而並不遵守泡利不相容原理。簡單來說,費米子就是組成物質的粒子而玻色子則負責傳遞各種作用力。

我們就根據上圖所示的內容,一 一為大家介紹。首先是夸克。

上面說了根據特性分為三代。如下圖。

夸克(英語:quark)是一種基本粒子,也是構成物質的基本單元。夸克互相結合,形成一種複合粒子,叫強子,強子中最穩定的是質子和中子,它們是構成原子核的單元。

由於一種叫「夸克禁閉」的現象,夸克不能夠直接被觀測到,或是被分離出來;只能夠在強子裡面找到夸克。因為這個原因,人類對夸克的所知大都是來自對強子的觀測。

所有的中子都是由三個夸克組成的,反中子則是由三個相應的反夸克組成的,比如質子,中子。質子由兩個上夸克和一個下夸克組成,中子是由兩個下夸克和一個上夸克組成。

夸克有六種「味」,分別是上、下、粲、奇、底及頂。上及下夸克的質量是所有夸克中最低的。較重的夸克會通過一個叫粒子衰變的過程,來迅速地變成上或下夸克。粒子衰變是一個從高質量態變成低質量態的過程。就是因為這個原因,上及下夸克一般來說很穩定,所以它們在宇宙中很常見,而奇、粲、頂及底則只能經由高能粒子的碰撞產生(例如宇宙射線及粒子加速器)。

夸克有著多種不同的內在特性,包括電荷、色荷、自旋及質量等。在標準模型中,夸克是唯一一種能經受全部四種基本相互作用的基本粒子,基本相互作用有時會被稱為「基本力」(電磁、重力、強相互作用及弱相互作用)。

夸克同時是現時已知唯一一種基本電荷非整數的粒子。通過上面的圖,就可以看出這點。

夸克每一種味都有一種對應的反粒子,叫反夸克,在對應的夸克符號上加一橫作為標記,例如u代表反上夸克。跟一般反物質一樣,反夸克跟對應的夸克有著相同的質量、平均壽命及自旋,但兩者的電荷及其他荷的正負則相反。

夸克模型分別由默里·蓋爾曼與喬治·茨威格於1964年獨立地提出。引入夸克這一概念,是為了能更好地整理各種強子,而當時並沒有什麼能證實夸克存在的物理證據,直到1968年SLAC開發出深度非彈性散射(英語:Deep inelastic scattering)實驗為止。

夸克的六種味已經全部被加速器實驗所觀測到;而於1995年在費米實驗室被觀測到的頂夸克,是最後發現的一種。

夸克的自旋為1?2,因此根據自旋統計定理,它們是費米子。它們遵守泡利不相容原理,即兩個相同的費米子,不能同時擁有相同的量子態。這點跟玻色子相反(擁有整數自旋的粒子),在相同的量子態上,相同的玻色子沒有數量限制。

跟輕子不同的是,夸克擁有色荷,因此它們會參與強相互作用。因為這種夸克間吸引力的關係,而形成的複合粒子,叫做「強子」。

在強子中決定量子數的夸克叫「價夸克」;除了這些夸克,任何強子都可以含有無限量的虛(或「海」)夸克、反夸克,及不影響其量子數的膠子。

強子分兩種:帶三個價夸克的重子,及帶一個價夸克和一個反價夸克的介子。最常見的重子是質子和中子,它們是構成原子核的基礎材料。我們已經知道有很多不同的強子。它們的不同點在於其所含的夸克,及這些內含物所賦予的性質。

基本費米子被分成三代,每一代由兩個輕子和兩個夸克組成。第一代有上及下夸克,第二代有奇及粲夸克,而第三代則有頂及底夸克。過去所有搜尋第四代基本粒子的研究均以失敗告終,又有有力的間接證據支持不會有超過三代。代數較高的粒子,一般會有較大的質量及較低的穩定性,於是它們會通過弱相互作用,衰變成代數較低的粒子。在自然中,只有第一代夸克(上及下)是常見的。較重的夸克只能通過高能碰撞來生成(例如宇宙射線),而且它們很快就會衰變;然而,科學家們相信大爆炸後,第一秒的最早部分會存有重夸克,那時宇宙處於溫度及密度極高的狀態(夸克時期)。重夸克的實驗研究都在人工的環境下進行,例如粒子加速器。

在夸克理論的初期,當時的「粒子動物園(英語:Particle zoo)」除了其他各種粒子,還包括了許多強子。蓋爾曼和茨威格假定它們不是基本粒子,而是由夸克和反夸克組成的。在他們的模型中,夸克有三種味,分別是上、下及奇,他們把電荷及自旋等性質都歸因於這些味。

初時物理學界對於這份提案的意見不一。當時學界對於夸克的本質有所爭論,一方認為夸克是物理實體,另一方則認為,它只是用來解釋當時未明物理的抽象概念而已。

在一年之內,就有人提出了蓋爾曼-茨威格模型的延伸方案。謝爾登·李·格拉肖和詹姆斯·布約肯(英語:James Bjorken)(James Bjorken)預測有第四種夸克存在,他們把它叫做「粲」。

加上第四種夸克的原因有三:

一、能更好地描述弱相互作用(導致夸克衰變的機制);

二、夸克的數量會變得與當時已知的輕子數量一樣;

三、三、能產生一條質量方程,可以計算出已知介子的質量。

後來斯坦福線性加速器中心(SLAC)深度非彈性散射實驗在1968年指出,質子含有比自己小得多的點狀物,因此質子並非基本粒子。物理學家當時並不願意把這些物體視為夸克,反而叫它們做「成子——一個由理查德·費曼所創造的新詞。

隨著更多味的發現,在SLAC所觀測到的粒子後來被鑒定為上及下夸克。不過,「成子」一詞到現在還在使用,是重子構成物(夸克、反夸克和膠子)的總稱。

奇夸克的存在由SLAC的散射實驗間接證實:奇夸克不但是蓋爾曼和茨威格三夸克模型的必要部分,而且還解釋到1947年從宇宙射線中發現的K和π強子。

在1971年的一份論文中,格拉肖、約翰·李爾普羅斯和盧奇亞諾·馬伊阿尼(Luciano Maiani)一起對當時尚未發現的粲夸克,提出更多它存在的理據。

到1973年,小林誠和益川敏英指出再加一對夸克,就能解釋實驗中觀測到的CP破壞,於是夸克應有的味被提升到現時的六種。

粲夸克在1974年被兩個研究小組幾乎同時發現(見十一月革命)——一組在SLAC,由伯頓·里克特領導;而另一組則在布魯克黑文國家實驗室,由丁肇中領導。觀測到的粲夸克在介子裡面,與一個反粲夸克束縛(Bound state)在一起。兩組分別為這種介子起了不同的名子:J及ψ;因此這種粒子的正式名子叫J/ψ介子。這個發現終於使物理學界相信夸克模型是正確的。

底夸克在1977年被利昂·萊德曼領導的費米實驗室研究小組觀測到。這是一個代表頂夸克存在的有力徵兆:沒有頂夸克的話,底夸克就沒有伴侶。然而一直都沒有觀測到頂夸克,直至1995年,終於被費米實驗室的CDF(英語:Collider Detector at Fermilab)及D?(英語:D0 experiment)小組觀測到。它的質量比之前預料的要大得多——幾乎跟金原子一樣重。

這就是關於夸克的介紹,接下來我們認識一下輕子。

讓我們先來看看輕子列表。總計共有12個。

輕子(Lepton)是一種不參與強相互作用、自旋為1/2的基本粒子。電子是最為人知的一種輕子;大部分化學領域都會涉及到與電子的相互作用,原子不能沒有它,所有化學性質都直接與它有關。

輕子又分為兩類:「帶電輕子」與「中性輕子」。帶電輕子包括電子、μ子、τ子,可以與其它粒子組合成複合粒子,例如原子、電子偶素等等。 在所有帶電輕子中,電子的質量最輕,也是宇宙中最穩定、最常見的輕子;質量較重的μ子與τ子會很快地衰變成電子,μ子與τ子必須經過高能量碰撞製成,例如使用粒子加速器或在宇宙線探測實驗。

中性輕子包括電中微子、μ中微子、τ中微子;它們很少與任何粒子相互作用,很難被觀測到。

輕子一共有六種風味,形成三個世代。第一代是電輕子,包括電子(e?)與電中微子 (νe)。第二代是緲輕子,包括μ子(μ?)與μ中微子 (νμ)。第三代是陶輕子,包括τ子(τ?)與τ中微子(ντ)。

輕子擁有很多內秉性質,包括電荷、自旋、質量等等。輕子與夸克有一點很不相同:輕子不會感受到強作用力。輕子會感受到其它三種基礎力:引力、弱作用力、電磁力。

但是,由於中微子的電性是中性,中微子不會感受到電磁力。每一種輕子風味都有其對應的反粒子,稱為「反輕子」。帶電輕子與對應的反輕子唯一不同之處是帶有電荷的正負號相反。根據某些理論,中微子是自己的反粒子,但這論點尚未被證實。

在標準模型里,輕子扮演重要角色,電子是原子的成分之一,與質子、中子共同組成原子。在某些被合成的奇異原子里,電子被更換為μ子或τ子。像電子偶素一類的輕子-反輕子粒子也可以被合成。

最先被辨識的輕子是電子,英國物理學者約瑟夫·湯姆孫與實驗團隊於1897年發現電子。1930年,沃爾夫岡·泡利大膽假設電中微子存在,這是為了解釋β衰變的能量缺失問題,挽救能量守恆定律;泡利認為,所有最初與最終觀察到的粒子的能量差,都被一種尚未探測到的粒子帶走了,這粒子具有電中性,不會留下軌跡,所以很難探測到。

三年後,恩里科·費米給出理論,成功描述β衰變,強力支持泡利的假設。費米將這粒子命名為「中微子」,意思為「微小的中子」。在那時期,電中微子被稱為中微子,因為尚未發現其它世代的中微子。1956年,克萊德·科溫與弗雷德里克·萊因斯共同完成科溫-萊因斯中微子實驗(英語:Cowan–Reines neutrino experiment)首先直接觀察到中微子的存在。

在電子被發現大約40年之後,卡爾·安德森於1936年發現了μ子。由於它的質量,μ子最初被歸類為介子,而不是輕子。漸漸地,學者發覺μ子的性質更接近電子,只是質量比較大,而且μ子不會感受到強相對作用,不具有介子的性質。

1947年,才有學者開始提議一群粒子被歸類為輕子的概念。後來,μ子被重新歸類,μ子、電子與電中微子一起被歸類為輕子。1962年 利昂·萊德曼、梅爾文·施瓦茨與傑克·施泰因貝格爾做實驗直接探測到μ中微子,證實不只一種中微子存在。

馬丁·佩爾與他的實驗團隊於1975年完成實驗首先探測到τ子。如同電子與μ子,物理學者認為它應該也有伴隨的中微子,這是因為他們觀察到類似β衰變的缺失能量問題。費米實驗室的直接觀察τ中微子實驗(Direct Observation of the NU Tau,DONUT )團隊於2000年探測到τ中微子參與作用的證據。

雖然現有數據符合三個世代的輕子,有些粒子物理學者仍在尋找第四代帶電輕子。這種帶電輕子的質量下限為100.8 GeV,伴隨它的中微子最少應該帶有質量45.0 GeV。

輕子是自旋1?2粒子,只能處於兩種自旋態:上旋或下旋。自旋統計定理將它們按照自旋歸類為費米子,遵守泡利不相容原理,因此任何兩個全同的輕子不能同時佔有相同的量子態。

手征性與螺旋性(helicity)是與自旋緊密相關的兩種性質,螺旋性跟粒子的自旋與動量之間的相對方向有關;假若是同向,則粒子具有右手螺旋性,否則粒子具有左手螺旋性。對於不帶質量粒子,這相對方向與參考系無關,可是,對於帶質量粒子,由於可以借著洛倫茲變換來改換參考系,從不同的參考系觀察,粒子動量不同,因此翻改螺旋性,可以從右手螺旋性翻改為左手螺旋性,或從左手螺旋性翻改為右手螺旋性。手征性是通過龐加萊群(Poincaré group)的變換來定義的性質。對於不帶質量粒子,手征性與螺旋性一致;對於帶質量粒子,手征性與螺旋性有別。

在很多量子場論里,例如量子電動力學與量子色動力學,並沒有對左手與右手費米子作任何區分,可是,在標準模型的弱相互作用理論里,按照手征性區分的左手與右手費米子被非對稱地處理,只有左手費米子參與弱相互作用,右手中微子不存在。這是宇稱違反的典型例子。

輕子與對應的中微子之間的相互作用與風味無關,換句話說,對於電子與電中微子之間的相互作用、μ子與μ中微子之間的相互作用、τ子與τ中微子之間的相互作用,假若將質量差別納入考量,則這三種相互作用的效應相等。這性質稱為輕子相互作用的「普適性」。所有已知實驗數據與這種普適性一致。

摘自獨立學者,科普作家靈遁者量子力學《見微知著》


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