基本粒子

出自六年制學程
在2015年7月16日 (四) 23:49由丁志仁對話 | 貢獻所做的修訂版本

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本單元所述,依據「標準模型」。

大強子對撞機

CERN大型強子對撞機位置圖
LHC的超導電四極電磁鐵
大型強子對撞機(LHC)是一座位於瑞士日內瓦近郊歐洲核子研究組織的對撞型粒子加速器,作為國際高能物理學研究之用。LHC已經建造完成,2008年9月10日開始試運轉,並且成功地維持了兩質子束在軌道中運行,成為世界上最大的粒子加速器設施。 大型強子對撞機是在一個圓周為27公里的圓形隧道內,該隧道因當地地形的起伏而位於地下約50至150公尺之間。隧道本身直徑三公尺,位於同一平面上,並貫穿瑞士與法國邊境,主要的部份大半位於法國。雖然隧道本身位於地底下,尚有許多地面設施如冷卻壓縮機,通風設備,控制電機設備,還有冷凍槽等等建構於其上。 加速器通道中,主要是放置兩個質子束管。由於須維持前所未有高能量的粒子運行,加速管由超導磁鐵所包覆,以液態氦來冷卻。管中的質子是以相反的方向,環繞著整個環型加速器運行。除此之外,在四個實驗碰撞點附近,另有安裝其他的二極偏向磁鐵及四極聚焦磁鐵。



基本粒子

進階的講義

銅板上的一氧化碳,只能看見氧原子(放大一億倍)

守恆律

  1. 在基本粒子的世界中,基本粒子可以無中生有,也可以相互淹滅,但過程必須遵守各種守恆律。
  2. 質能守恆:能量可以從虛無中化生成一對正反粒子,正反粒子也可以相互淹滅轉為能量。但其過程須遵守質能守恆定律。質能間的轉換比即為 E=mc2
  3. 電荷(Q)守恆:任何過程電荷總量不變。

物質基本粒子

I世代 II世代 III世代 電荷(Q)
上(u) 魅(粲)(c) 頂(t) 2/3
下(d) 奇(異)(s) 底(b) -1/3
微中子(νe) 渺微中子(νμ) 濤微中子(ντ) 0
電子(e) 渺子(μ) 濤子(τ) -1
  • 上表諸粒子均有靜質量,參與重力作用。
  • 只有 I世代 的基本粒子是穩定的。
  • 質子與中子的組成

載力基本粒子

吸力圖示

斥力圖示

粒子 自旋電荷質量作用力
玻色子
整數自旋
規範傳播子 光子(γ) 100電磁力
弱玻色子 W± 1±115.7萬弱力
Z 1017.8萬弱力
膠子(g) 100強力
引力子(G) 200重力
希格斯粒子(H) 00待測電弱

基本作用力:力(荷、場、傳播子)

  • 電磁力:電荷透過發射或吸收光子產生作用力。
  • 弱作用力:夸克透過發射或吸收弱玻色子改變風味(種類),因為比電磁力弱所以叫弱作用力。
  • 強作用力:夸克透過發射或吸收膠子,而束縛在一起。
  • 萬有引力:帶質量的粒子透過交換重力子相互產生引力。
  • 希格斯機制,帶質量的基本粒子和希格斯粒子間的作用減慢速度。

剩餘的強作用力

質子或中子中的夸克與另一質子或中子中的夸克產生強作用力,克服質子間的排斥力,使原子核不致飛散。

剩餘的電磁作用力

原子中的質子與另一原子中的電子產生的吸力,克服原子間的斥力,使原子可以結合成分子。

質量與重力的區別

  1. 質量:希格斯機制,空間中布滿希格斯粒子,明星來了「粉絲希格斯粒子」圍上去,使明星變得前進緩慢,形成「慣性」,這是質量的起源。如果非明星來了,將以光速通過布滿希格斯粒子的空間。
  2. 重力:兩個有質量的粒子,可以對拋重力子,形成重力。

「標準模型」主程式

世界上最美的方程式