基本粒子/進階
目錄
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 。
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) | 1 | 0 | 0 | 電磁力 | |
| 弱玻色子 | W± | 1 | ±1 | 15.7萬 | 弱力 | ||
| Z | 1 | 0 | 17.8萬 | 弱力 | |||
| 膠子(g) | 1 | 0 | 0 | 強力 | |||
| 引力子(G) | 2 | 0 | 0 | 重力 | |||
| 希格斯粒子(H) | 0 | 0 | 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。
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。
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
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：
- 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。
- 唯一破壞宇稱對稱及CP對稱的作用。
- 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
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。
