基本粒子/進階:修訂版本之間的差異

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==守恆率==
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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率。
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===質能守恆===
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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率。質能間的轉換比即為 E=mc<sup>2</77sup> 。
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===反粒子===
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所有夸克與帶荷輕子的反粒子,與正粒子帶等量相反電荷。
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微中子的電荷為 0 ,自旋為1/2,目前為止,所有微中子都是左旋,反微中子都是右旋。正反微中子只通過重力和弱核力與其它物質感應,微中子震蕩實驗得出反微中子有質量的結論,而β衰變實驗指出這個質量是非常小的。
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滿足馬約拉納方程式的粒子稱作「馬約拉納粒子」,這代表粒子同時是自己的反粒子。所有標準模型中的粒子都未被描述存在這種性質。然而目前並未排除微中子是一種馬約拉納粒子的可能性。如果微中子滿足馬約拉納方程式,我們便有機會觀察到不放出微中子的雙重β衰變。目前有許多實驗試圖去驗證微中子是否為馬約拉納粒子[1]。
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===電荷(Q)守恆===
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任何過程電荷總量不變。
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===弱同位旋(I或I<sub>3</sub>)守恆===
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任何過程弱同位旋總量不變。
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===重子數(B)輕子數(L)守恆===
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一般的過程,重子數(B)守恆。
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輕子數有三種:電數、渺數、濤數,三種輕子數各自都要守恆。
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有些理論中,如果子(B-L)守恆的話,重子數及輕子數的守恆能被個別破壞。
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===色中性維持===
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只有夸克有色荷,輕子沒有色荷。一個夸克一次只能帶一種色荷,所以單獨的夸克無法被觀測到。兩個夸克,一個帶某色,另一個帶其反色,因為能維持色中性,所以可以被觀測到。三個夸克,可以帶紅、藍、綠三種色荷維持色中性,或帶反紅、反藍、反綠三種色荷維持色中性,所以可以被觀測到。
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==材料性基本粒子(物質基本粒子)==
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一般將材料性基本粒子歸類為費米子,但費米子的自旋為1/2的奇數倍,但超對稱夸克和超對稱輕子的自旋為為0,所以歸類為費米子會有問題,還是稱為「物質基本粒子」較為週延。
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<table class=nicetable>
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<tr><th rowspan=5>費米子<br>自旋s=1/2</th> <th>重子數(B)</th> <th>弱同位旋(T)</th> <th colspan=2>I世代</th> <th colspan=2>II世代</th> <th colspan=2>III世代</th> <th>電荷(Q)</th></tr>
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<tr> <th rowspan=2>夸克<br>B=1/3</th> <th>1⁄2</th> <th>同位旋I=1⁄2</th><th>上(u)</th> <th>魅數C=1</th><th>魅(粲)(c)</th> <th>頂數T=1</th><th>頂(t)</th> <th>2/3</th> </tr>
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<tr> <th>−1⁄2</th> <th>同位旋I=−1⁄2</th><th>下(d)</th> <th>奇異數S=−1</th><th>奇(異)(s)</th> <th>底數B'=−1</th><th>底(b)</th> <th>-1/3</th> </tr>
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<tr> <th rowspan=2>輕子<br>B=0</th> <th>1⁄2</th> <th rowspan=2>電數1</th><th>電子微中子(ν<sub>e</sub>)</th> <th rowspan=2>渺數1</th><th>渺微中子(ν<sub>μ</sub>)</th> <th rowspan=2>濤數1</th><th>濤微中子(ν<sub>τ</sub>)</th> <th>0</th> </tr>
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<tr> <th>−1⁄2</th> <th>電子(e)</th> <th>渺子(μ)</th> <th>濤子(τ)</th> <th>-1</th> </tr>
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</table>
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*上表諸粒子均有靜質量,參與重力作用。
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*上表諸粒子均有弱同位旋全部參與弱作用,有電荷的(夸克及帶荷輕子)參與電磁作用,有同位旋及色荷的(夸克)參與強作用。
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*夸克的重子數為1/3,輕子的重子數為0。
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*夸克和輕子中,弱同位旋為1/2為上族,-1/2為下族。
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*夸克中,依同位旋、魅數、奇異數、頂數、底數分成六種夸克。
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*輕子的輕子數均為1,輕子數再細分為電數、渺數、濤數。三類輕子數配合兩種弱同位旋構成六種輕子。
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*色荷是強作用力的來源,夸克有色荷,輕子沒有色荷。
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*第II、III代的粒子會很快衰變成第I代粒子,所以自然界普遍存在的只有上下夸克組成的質子、中子;以及輕子中的電子和電子微中子。
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==傳遞力之基本粒子(載力基本粒子)==
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<table class=nicetable>
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<tr><th colspan=4>粒子</th> <th>自旋</th><th>電荷</th><th>質量</th><th>作用力</th></tr>
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<tr><th rowspan=6>玻色子<br/>整數自旋</th> <th rowspan=5>規範傳播子</th> <th colspan=2>光子(γ)</th> <th>1</th><th>0</th><th>0</th><th>電磁力</th></tr>
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<tr> <th rowspan=2>弱玻色子</th> <th>W<sup>±</sup></th> <th>1</th><th>±1</th><th>15.7萬</th><th>弱力</th></tr>
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<tr> <th>Z</th> <th>1</th><th>0</th><th>17.8萬</th><th>弱力</th></tr>
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<tr> <th colspan=2>膠子(g)</th> <th>1</th><th>0</th><th>0</th><th>強力</th></tr>
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<tr> <th colspan=2>引力子(G)</th> <th>2</th><th>0</th><th>0</th><th>重力</th></tr>
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<tr> <th colspan=3>希格斯粒子(H)</th> <th>0</th><th>0</th><th>待測</th><th>電弱</th></tr>
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</table>
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基本作用力:力(荷、場、傳播子)
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*電磁相互作用(電荷、電磁場、光子),電荷是基本粒子與光子的電磁耦合係數。
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*弱相互作用(弱同位旋、弱向量場、弱玻色子),弱同位旋是基本粒子與弱玻色子的弱耦合係數。
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*強相互作用(色荷、膠子場、膠子)。
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*萬有引力(質量、引力場、引力子)。
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*希格斯機制,靜質量由基本粒子和希格斯粒子間的作用耦合係數衍生。
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===剩餘的強作用力===
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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。
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===剩餘的電磁作用力===
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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。
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==強作用力==
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夸克和膠子帶有色荷,是強作用力的力源。
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色荷和可見顏色沒有什麼關係,它只是物理學家所發展出的數學系統,為解釋所觀察到在強子中的夸克方便而命名的。
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一共有三種色荷和三種相應的反色彩(互補色)電荷,每個夸克有三種色荷的其中一個,而每個反夸克有三種反色荷中的一個。就像混合紅光、綠光和藍光產生白光,在重子中,結合紅、綠、藍色荷成為色中性,在反重子中,反紅、反綠、反藍也是色中性。μ介子是色中性的,因為它們帶有如紅和反紅的結合。
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膠子帶有一個色荷和一個反色荷,因為它們總是改變色彩成反色彩,由於共有九種可能的色彩 -反色彩組合,所以我們期望會九種不同的膠子,但數學計算出來的只有八種組合。不幸地,對於這個結果並沒有直觀的解釋。
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當夸克有色荷時,由夸克組成的合成粒子沒有淨色荷(它們是色中性)。
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===色荷守恒===
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夸克放射或分離出膠子時,夸克的顏色必定改變以維持色荷守恒。舉個例來說,假設一個紅夸克變成了藍夸克,且放射出一個紅/反藍膠子(下面的圖說明了反藍色就是黃色),淨色彩仍然是紅色。
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[http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/particleadventure/frameless/quarks_gluons.html 圖說]
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===色中性維持===
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夸克經常放出或分離出膠子,所以並沒有辦法觀察到單獨夸克的顏色,然而在強子中兩個交換膠子的夸克的顏色會改變,以維持周遭系統處在色中性狀態下。
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===夸克–膠子電漿===
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量子色動力學的計算結果顯示,在溫度達到核子彈爆炸核心溫度的5000倍時,夸克與膠子不再被禁錮在強子中,而是以「夸克–膠子電漿」(Quark Gluon Plasma)的方式存在,可以自由的運動與交互作用。
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我們所生活的宇宙溫度很低,所以夸克與膠子都凝結成為強子,要產生宇宙剛爆炸時的能量密度,科學家所使用的方法是讓重離子(Heavy Ion)對撞——把重離子(重元素的原子核,如鉛原子核、金原子核)加速到接近光速的狀態,這時候重離子因為羅倫茲收縮(Lorentz Contraction)的緣故,變成像兩個「煎餅」一樣,這兩個「煎餅」對撞之後,會將大量的動量釋放在一個極小的空間裡面,產生一個超高能量密度的環境,進而重現宇宙大爆炸的狀態。
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夸克–膠子電漿產生之後,由於極高的能量密度與壓力,其體積快速的擴張,很快的冷卻碎成許多的強子。這個過程發生的飛快,大概只有10<sup>-23</sup>~10<sup>-24</sup>秒的時間。因此要研究夸克–膠子電漿的性質十分不容易。事實上,在實驗中我們只能藉由這些由夸克–膠子電漿冷卻凝結成的強子,以及其他不同的粒子,來了解這種新物質的特性。
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為了測量由夸克–膠子電漿冷卻後所產生的各種粒子,我們使用粒子偵測器來測量這些粒子的角度分布、動量以及能量。以緊湊渺子線圈(Compact Muon Solenoid,簡稱CMS偵測器)為例,偵測器主要是由超導磁鐵(Superconducting Magnet)、矽晶軌跡追跡系統(Silicon Tracker)、量能器(Calorimeter)以及渺子偵測器(Muon detector)所組成的。
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[http://pansci.tw/archives/17929 詳見「重離子對撞」]
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===同位旋===
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同位旋(Isospin)是為了解釋上夸克與下夸克之間的對稱性而發展出來的量子數。在強作用下,同位旋守恆,但弱作用和電磁作用下,同位旋不守恆。
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==電磁作用力==
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帶電粒子具有能夠放射(或吸收)光子的潛能。「電磁耦合係數」,代表這種發光能力的高低。電子和光子的耦合係數為電子電荷,夸克和光子的耦合係數為夸克電荷,微中子和光子的耦合係數為0,表示微中子和光子不發生交互作用。但對質子和中子等複合粒力,它們與光子的作用比較複雜,不能用單一耦合係數來描述。
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粒子能不能發出光子,除子看電荷外,還要看粒子的能量與動量以及光子的能量與動量,一切都滿足能量與動量的守恆律,粒子才能發射(或吸收光子)。
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如果一個粒子發射了光子,此光子被另一個粒子所吸收,此光子稱為虛光子,兩粒子便產生相斥的庫侖力。
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===電子斥力費曼圖===
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==弱作用力==
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[[File:Weak decay diagram zh-hant.svg|right|280px|thumb|圖為標準模型中六種夸克的電荷與質量分佈,以及各種衰變路線,線的虛實代表該衰變發生的可能。]]
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原子核衰變射出α粒子,是起因於量子穿隧效應。中子β衰變為質子,氫核融合,則是起因於弱作用。
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弱作用力是由W及Z玻色子的交換(即發射及吸收)所引起的,能作用於所有的費米子。四種作用力中,弱作用具有以下幾種唯一性:
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#唯一能引起夸克味變的作用,使夸克由一種夸克轉變為另一種夸克。
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#唯一破壞宇稱對稱及CP對稱的作用。
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#唯一由具質量的規範玻色子所介導的作用。這一不尋常的特點可由標準模型的希格斯機制得出。
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在標準模型中,弱作用會影響所有費米子,及希格斯玻色子;弱作用是除重力作用外唯一一種對微中子有效的交互作用。弱作用不產生束縛態(也不需要束縛能),其他三種力都有束縛能和束縛態;重力在天文距離下束縛天體,電磁力在原子距離下束縛分子,而強力則在原子核中束縛中子和質子。
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在弱作用以外,夸克的所有味都守恆,即同位旋、魅數、奇異數、頂數、底數都會守恆。但弱作用可以打破這個守恆,使夸克產生味變。
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弱作用中,弱同位旋的作用跟電磁中的電荷一樣,也跟強交互作用中的色荷一樣。就像電荷一樣,弱同位旋的兩種不同值,大小一樣,正負相反。夸克在弱衰變後,弱同位旋永遠跟衰變前不一樣。
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弱同位旋是守恆的:反應產物的弱同位旋總和,等於反應物的弱同位旋總和。
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===對稱破缺===
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[[File:Right left helicity zh.svg|thumb|right|280px|左手及右手粒子:p為粒子的動量,而S則為其自旋。注意兩個態中並沒有反射對稱。]]
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長久以來,人們以為自然定律在鏡像反射後會維持不變,鏡像反射等同把所有空間軸反轉。也就是說在鏡中看實驗,跟把實驗設備轉成鏡像方向後看實驗,兩者的實驗結果會是一樣的。這條所謂的定律叫宇稱守恆,古典重力、電磁及強交互作用都遵守這條定律。但弱作用的宇稱不守恆。
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弱作用也破壞CP守恆。CP由兩部份組成,宇稱P(左右互換)及電荷共軛C(把粒子換成反粒子)。
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===β衰變費曼圖===
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==名詞解釋==
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摘自[http://lifeng.lamost.org/novels/Tompkins/18.htm 名詞解釋]
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普朗克常數(h) 在海森伯測不准關係式中出現的一個基本物理常數,它的值為h=6.626×10<sup>-34</sup>焦‧秒。
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守恆律 在粒子之間發生相互作用時,某些量(如質能、電荷、輕子數、重子數、色荷等等)的總數量保持不變。色中性維持,應該也算是守恆律的一種。
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量子數 基本粒子所具有的性質,如重子數和輕子數等等。在粒子間發生反應時,量子數一般應該守恆。
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反粒子 每一種粒子都有它的反粒子,反粒子的質量和自旋與粒子相同,而某些其他性質,諸如電荷、重子數、奇異性、輕子數等等,則具有與粒子相反的值。
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質量 粒子的一種內稟性質,它決定著粒子對加速力的反應。也稱為慣性質量。
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重子數(B) 一種用來標識基本粒子的量子數,例如,夸克的B=+1/3,而反夸克的B=-1/3。
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輕子數 與輕子有關的守恆的量子數。對應於三種輕子,有三個輕子數:第一代輕子數(電數)、第二代輕子數(渺數)、第三代輕子數(濤數)。
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荷 粒子帶有若干種不同的(載)荷(電荷、色荷、弱同位旋等),它們決定了粒子以什麼樣的方式與其他粒子相互作用。
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場 一種物理量,它的值在空間逐點發生變化(在時間中可能也是這樣)。兩個粒子是由於在它們各自的位置上感受到對方所產生的場,才發生相互作用的,場的種類有電磁場、弱場和強(色)場等。
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電荷 粒子的一種屬性,這種屬性產生粒子之間的電交互作用力。電荷分正電荷和負電荷兩種,同電相斥,異電相吸。
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例如,質子帶有一個單位的正電荷,電子帶有一個單位的負電荷,因而兩者互相吸引。
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味 一種用於區別不同種夸克的量。夸克有上夸克、下夸克、魅(粲)夸克、奇(異)夸克、頂夸克、底夸克六種味。
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底數(b) 一種用來說明有多少夸克帶有底味的量子數。
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粲數(c) 一種用來說明有多少夸克帶有粲味的量子數。
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色荷 夸克與膠子之間的色力源。色荷分為三種,通常用紅、綠、藍三色表示。
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膠子 能夠發射強色力的粒子。膠子有8種可能的色態。
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強子 所有感受到強核力的粒子(如質子、中子和π介子)的統稱。
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重子 由三個夸克組成的強子。
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介子 由一個夸克和一個反夸克組成的粒子。
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π介子 最輕的介子。帶電的π介子會衰變成一個μ子和中微子,而電中性的π介子則衰變成兩個光子。
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輕子 所有受到弱力(而不是強核力)作用的粒子的統稱。不帶色荷,包括電子、μ子、τ子以及與這些粒子相關的微中子。
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μ子 一種第二代的輕子。
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τ子 一種第三代的輕子。
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微中子 一種電中性的粒子,它的質量非常小。微中子有三種,分別與三種不同的輕子相對應。
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==參考資料==
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#[http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/particleadventure/frameless/index.html 粒子冒險奇境](多頁連續講解) #*[http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/particleadventure/frameless/startstandard.html 起] #*[http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/particleadventure/frameless/exp_end.html 終] #*[http://www.phy.ntnu.edu.tw/demolab/particleadventure/frameless/chart.html 總圖解]
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#[http://zh.wikipedia.org/zh-tw/粒子列表 粒子列表]

2014年8月3日 (日) 14:00的修訂版本

守恆率

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率。

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率。質能間的轉換比即為 E=mc2</77sup> 。

反粒子

所有夸克與帶荷輕子的反粒子,與正粒子帶等量相反電荷。

微中子的電荷為 0 ,自旋為1/2,目前為止,所有微中子都是左旋,反微中子都是右旋。正反微中子只通過重力和弱核力與其它物質感應,微中子震蕩實驗得出反微中子有質量的結論,而β衰變實驗指出這個質量是非常小的。

滿足馬約拉納方程式的粒子稱作「馬約拉納粒子」,這代表粒子同時是自己的反粒子。所有標準模型中的粒子都未被描述存在這種性質。然而目前並未排除微中子是一種馬約拉納粒子的可能性。如果微中子滿足馬約拉納方程式,我們便有機會觀察到不放出微中子的雙重β衰變。目前有許多實驗試圖去驗證微中子是否為馬約拉納粒子[1]。

電荷(Q)守恆

任何過程電荷總量不變。

弱同位旋(I或I3)守恆

任何過程弱同位旋總量不變。

重子數(B)輕子數(L)守恆

一般的過程,重子數(B)守恆。

輕子數有三種:電數、渺數、濤數,三種輕子數各自都要守恆。

有些理論中,如果子(B-L)守恆的話,重子數及輕子數的守恆能被個別破壞。

色中性維持

只有夸克有色荷,輕子沒有色荷。一個夸克一次只能帶一種色荷,所以單獨的夸克無法被觀測到。兩個夸克,一個帶某色,另一個帶其反色,因為能維持色中性,所以可以被觀測到。三個夸克,可以帶紅、藍、綠三種色荷維持色中性,或帶反紅、反藍、反綠三種色荷維持色中性,所以可以被觀測到。

材料性基本粒子(物質基本粒子)

一般將材料性基本粒子歸類為費米子,但費米子的自旋為1/2的奇數倍,但超對稱夸克和超對稱輕子的自旋為為0,所以歸類為費米子會有問題,還是稱為「物質基本粒子」較為週延。

費米子
自旋s=1/2
重子數(B) 弱同位旋(T) I世代 II世代 III世代 電荷(Q)
夸克
B=1/3
1⁄2 同位旋I=1⁄2上(u) 魅數C=1魅(粲)(c) 頂數T=1頂(t) 2/3
−1⁄2 同位旋I=−1⁄2下(d) 奇異數S=−1奇(異)(s) 底數B'=−1底(b) -1/3
輕子
B=0
1⁄2 電數1電子微中子(νe) 渺數1渺微中子(νμ) 濤數1濤微中子(ντ) 0
−1⁄2 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。
  • 上表諸粒子均有弱同位旋全部參與弱作用,有電荷的(夸克及帶荷輕子)參與電磁作用,有同位旋及色荷的(夸克)參與強作用。
  • 夸克的重子數為1/3,輕子的重子數為0。
  • 夸克和輕子中,弱同位旋為1/2為上族,-1/2為下族。
  • 夸克中,依同位旋、魅數、奇異數、頂數、底數分成六種夸克。
  • 輕子的輕子數均為1,輕子數再細分為電數、渺數、濤數。三類輕子數配合兩種弱同位旋構成六種輕子。
  • 色荷是強作用力的來源,夸克有色荷,輕子沒有色荷。
  • 第II、III代的粒子會很快衰變成第I代粒子,所以自然界普遍存在的只有上下夸克組成的質子、中子;以及輕子中的電子和電子微中子。

傳遞力之基本粒子(載力基本粒子)

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)

  • 電磁相互作用(電荷、電磁場、光子),電荷是基本粒子與光子的電磁耦合係數。
  • 弱相互作用(弱同位旋、弱向量場、弱玻色子),弱同位旋是基本粒子與弱玻色子的弱耦合係數。
  • 強相互作用(色荷、膠子場、膠子)。
  • 萬有引力(質量、引力場、引力子)。
  • 希格斯機制,靜質量由基本粒子和希格斯粒子間的作用耦合係數衍生。

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。

強作用力

夸克和膠子帶有色荷,是強作用力的力源。

色荷和可見顏色沒有什麼關係,它只是物理學家所發展出的數學系統,為解釋所觀察到在強子中的夸克方便而命名的。

一共有三種色荷和三種相應的反色彩(互補色)電荷,每個夸克有三種色荷的其中一個,而每個反夸克有三種反色荷中的一個。就像混合紅光、綠光和藍光產生白光,在重子中,結合紅、綠、藍色荷成為色中性,在反重子中,反紅、反綠、反藍也是色中性。μ介子是色中性的,因為它們帶有如紅和反紅的結合。

膠子帶有一個色荷和一個反色荷,因為它們總是改變色彩成反色彩,由於共有九種可能的色彩 -反色彩組合,所以我們期望會九種不同的膠子,但數學計算出來的只有八種組合。不幸地,對於這個結果並沒有直觀的解釋。

當夸克有色荷時,由夸克組成的合成粒子沒有淨色荷(它們是色中性)。

色荷守恒

夸克放射或分離出膠子時,夸克的顏色必定改變以維持色荷守恒。舉個例來說,假設一個紅夸克變成了藍夸克,且放射出一個紅/反藍膠子(下面的圖說明了反藍色就是黃色),淨色彩仍然是紅色。

圖說

色中性維持

夸克經常放出或分離出膠子,所以並沒有辦法觀察到單獨夸克的顏色,然而在強子中兩個交換膠子的夸克的顏色會改變,以維持周遭系統處在色中性狀態下。

夸克–膠子電漿

量子色動力學的計算結果顯示,在溫度達到核子彈爆炸核心溫度的5000倍時,夸克與膠子不再被禁錮在強子中,而是以「夸克–膠子電漿」(Quark Gluon Plasma)的方式存在,可以自由的運動與交互作用。

我們所生活的宇宙溫度很低,所以夸克與膠子都凝結成為強子,要產生宇宙剛爆炸時的能量密度,科學家所使用的方法是讓重離子(Heavy Ion)對撞——把重離子(重元素的原子核,如鉛原子核、金原子核)加速到接近光速的狀態,這時候重離子因為羅倫茲收縮(Lorentz Contraction)的緣故,變成像兩個「煎餅」一樣,這兩個「煎餅」對撞之後,會將大量的動量釋放在一個極小的空間裡面,產生一個超高能量密度的環境,進而重現宇宙大爆炸的狀態。

夸克–膠子電漿產生之後,由於極高的能量密度與壓力,其體積快速的擴張,很快的冷卻碎成許多的強子。這個過程發生的飛快,大概只有10-23~10-24秒的時間。因此要研究夸克–膠子電漿的性質十分不容易。事實上,在實驗中我們只能藉由這些由夸克–膠子電漿冷卻凝結成的強子,以及其他不同的粒子,來了解這種新物質的特性。

為了測量由夸克–膠子電漿冷卻後所產生的各種粒子,我們使用粒子偵測器來測量這些粒子的角度分布、動量以及能量。以緊湊渺子線圈(Compact Muon Solenoid,簡稱CMS偵測器)為例,偵測器主要是由超導磁鐵(Superconducting Magnet)、矽晶軌跡追跡系統(Silicon Tracker)、量能器(Calorimeter)以及渺子偵測器(Muon detector)所組成的。

詳見「重離子對撞」

同位旋

同位旋(Isospin)是為了解釋上夸克與下夸克之間的對稱性而發展出來的量子數。在強作用下,同位旋守恆,但弱作用和電磁作用下,同位旋不守恆。

電磁作用力

帶電粒子具有能夠放射(或吸收)光子的潛能。「電磁耦合係數」,代表這種發光能力的高低。電子和光子的耦合係數為電子電荷,夸克和光子的耦合係數為夸克電荷,微中子和光子的耦合係數為0,表示微中子和光子不發生交互作用。但對質子和中子等複合粒力,它們與光子的作用比較複雜,不能用單一耦合係數來描述。

粒子能不能發出光子,除子看電荷外,還要看粒子的能量與動量以及光子的能量與動量,一切都滿足能量與動量的守恆律,粒子才能發射(或吸收光子)。

如果一個粒子發射了光子,此光子被另一個粒子所吸收,此光子稱為虛光子,兩粒子便產生相斥的庫侖力。

電子斥力費曼圖

弱作用力

檔案:Weak decay diagram zh-hant.svg
圖為標準模型中六種夸克的電荷與質量分佈,以及各種衰變路線,線的虛實代表該衰變發生的可能。

原子核衰變射出α粒子,是起因於量子穿隧效應。中子β衰變為質子,氫核融合,則是起因於弱作用。

弱作用力是由W及Z玻色子的交換(即發射及吸收)所引起的,能作用於所有的費米子。四種作用力中,弱作用具有以下幾種唯一性:

  1. 唯一能引起夸克味變的作用,使夸克由一種夸克轉變為另一種夸克。
  2. 唯一破壞宇稱對稱及CP對稱的作用。
  3. 唯一由具質量的規範玻色子所介導的作用。這一不尋常的特點可由標準模型的希格斯機制得出。

在標準模型中,弱作用會影響所有費米子,及希格斯玻色子;弱作用是除重力作用外唯一一種對微中子有效的交互作用。弱作用不產生束縛態(也不需要束縛能),其他三種力都有束縛能和束縛態;重力在天文距離下束縛天體,電磁力在原子距離下束縛分子,而強力則在原子核中束縛中子和質子。

在弱作用以外,夸克的所有味都守恆,即同位旋、魅數、奇異數、頂數、底數都會守恆。但弱作用可以打破這個守恆,使夸克產生味變。

弱作用中,弱同位旋的作用跟電磁中的電荷一樣,也跟強交互作用中的色荷一樣。就像電荷一樣,弱同位旋的兩種不同值,大小一樣,正負相反。夸克在弱衰變後,弱同位旋永遠跟衰變前不一樣。

弱同位旋是守恆的:反應產物的弱同位旋總和,等於反應物的弱同位旋總和。

對稱破缺

檔案:Right left helicity zh.svg
左手及右手粒子:p為粒子的動量,而S則為其自旋。注意兩個態中並沒有反射對稱。

長久以來,人們以為自然定律在鏡像反射後會維持不變,鏡像反射等同把所有空間軸反轉。也就是說在鏡中看實驗,跟把實驗設備轉成鏡像方向後看實驗,兩者的實驗結果會是一樣的。這條所謂的定律叫宇稱守恆,古典重力、電磁及強交互作用都遵守這條定律。但弱作用的宇稱不守恆。

弱作用也破壞CP守恆。CP由兩部份組成,宇稱P(左右互換)及電荷共軛C(把粒子換成反粒子)。

β衰變費曼圖

名詞解釋

摘自名詞解釋

普朗克常數(h) 在海森伯測不准關係式中出現的一個基本物理常數,它的值為h=6.626×10-34焦‧秒。

守恆律 在粒子之間發生相互作用時,某些量(如質能、電荷、輕子數、重子數、色荷等等)的總數量保持不變。色中性維持,應該也算是守恆律的一種。

量子數 基本粒子所具有的性質,如重子數和輕子數等等。在粒子間發生反應時,量子數一般應該守恆。

反粒子 每一種粒子都有它的反粒子,反粒子的質量和自旋與粒子相同,而某些其他性質,諸如電荷、重子數、奇異性、輕子數等等,則具有與粒子相反的值。

質量 粒子的一種內稟性質,它決定著粒子對加速力的反應。也稱為慣性質量。

重子數(B) 一種用來標識基本粒子的量子數,例如,夸克的B=+1/3,而反夸克的B=-1/3。

輕子數 與輕子有關的守恆的量子數。對應於三種輕子,有三個輕子數:第一代輕子數(電數)、第二代輕子數(渺數)、第三代輕子數(濤數)。

荷 粒子帶有若干種不同的(載)荷(電荷、色荷、弱同位旋等),它們決定了粒子以什麼樣的方式與其他粒子相互作用。

場 一種物理量,它的值在空間逐點發生變化(在時間中可能也是這樣)。兩個粒子是由於在它們各自的位置上感受到對方所產生的場,才發生相互作用的,場的種類有電磁場、弱場和強(色)場等。

電荷 粒子的一種屬性,這種屬性產生粒子之間的電交互作用力。電荷分正電荷和負電荷兩種,同電相斥,異電相吸。 例如,質子帶有一個單位的正電荷,電子帶有一個單位的負電荷,因而兩者互相吸引。

味 一種用於區別不同種夸克的量。夸克有上夸克、下夸克、魅(粲)夸克、奇(異)夸克、頂夸克、底夸克六種味。

底數(b) 一種用來說明有多少夸克帶有底味的量子數。

粲數(c) 一種用來說明有多少夸克帶有粲味的量子數。

色荷 夸克與膠子之間的色力源。色荷分為三種,通常用紅、綠、藍三色表示。

膠子 能夠發射強色力的粒子。膠子有8種可能的色態。

強子 所有感受到強核力的粒子(如質子、中子和π介子)的統稱。

重子 由三個夸克組成的強子。

介子 由一個夸克和一個反夸克組成的粒子。

π介子 最輕的介子。帶電的π介子會衰變成一個μ子和中微子,而電中性的π介子則衰變成兩個光子。

輕子 所有受到弱力(而不是強核力)作用的粒子的統稱。不帶色荷,包括電子、μ子、τ子以及與這些粒子相關的微中子。

μ子 一種第二代的輕子。

τ子 一種第三代的輕子。

微中子 一種電中性的粒子,它的質量非常小。微中子有三種,分別與三種不同的輕子相對應。

參考資料

  1. 粒子冒險奇境(多頁連續講解) #* #* #*總圖解
  2. 粒子列表