标准模型61种粒子（标准模型61种粒子有哪些）

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本文目录:

• 1、标准模型是粒子物理学里描述的哪三种基本力

• 2、粒子物理标准模型中存在什么样的巨大缺陷？

• 3、基本粒子的内容

• 4、物理学的标准模型有哪些理论基础？

一、标准模型是粒子物理学里描述的哪三种基本力

标准模型是粒子物理学里描述的强力、弱力、电磁力三种基本力。标准模型隶属量子场论的范畴，并与量子力学及狭义相对论相容。但是标准模型还不是一套万有理论，主要是因为没有描述到引力。

标准模型共61种基本粒子包含费米子及玻色子——费米子为拥有半奇数的自旋并遵守泡利不相容原理（这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态）的粒子；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不相容原理。简而言之，费米子就是组成物质的粒子而玻色子则负责传递各种作用力。

二、粒子物理标准模型中存在什么样的巨大缺陷？

粒子物理标准模型

作为现代物理学的最高成就，粒子物理标准模型无疑取得了巨大的成功。在当今世界各种粒子加速器中，粒子之间的碰撞行为都在标准模型的预测之中。粒子加速器越强大，实验值和理论值越接近。

那么，什么是粒子物理标准模型？这套理论是如何创立的？它有多强大？

在自然界中，无论力的作用是怎样的，从根本上都可以归咎为四种基本力：主宰天体的引力、主宰带电粒子的电磁力、主宰原子核的强核力和弱核力。

这四大基本力都有各自的理论进行描述，例如，引力由广义相对论来描述，电磁力由麦克斯韦电磁场方程组来描述。但包括爱因斯坦在内的物理学家认为，四大基本力在本质上是统一的，可以由同一个理论来描述。但纵然是爱因斯坦，他终其一生也没能完成大统一理论。

爱因斯坦想要统一引力和电磁力，始终没有成功。后来的物理学家从其他角度入手，大统一理论开始有了起色。

杨振宁建立了杨米尔斯理论，这为后来的电磁力和弱核力统一奠定基础。电弱统一之后，强核力通过量子场论被统一起来。最终，物理学家得到了统一电磁力、弱核力和强核力的粒子物理标准模型。正因为如此，杨振宁在史上最伟大的物理学家中可以排到前20名，他对现代物理学的贡献无疑是巨大的。

一个好的理论不仅能够准确描述已有的现象，而且还能预言未知的东西。标准模型预言，物体质量一部分源自于希格斯玻色子，这个粒子最终在大型强子对撞机中被发现。在标准模型中，总共存在着61种基本粒子，它们决定了这个世界的构成。

尽管标准模型大获成功，但它存在巨大的缺陷，这个理论不可能是物理学家追求的终极大统一理论，这是为什么呢？

原因在于引力还没有被量子化，或者说描述引力的广义相对论和量子力学无法统一。无论是广义相对论，还是量子力学，它们在各自范围内都是成功的理论，但它们之间就是无法兼容。大统一理论必然是涵盖了四大基本力，广义相对论、粒子物理标准模型都只是大统一理论的近似。

那么，大统一理论究竟是怎样的呢？

在弦理论中，标准模型所认为的基本粒子并不基本，它们都是由尺寸极小的一维弦构成。一维弦具有不同的振动方式，从而表现出不同的性质，这成了我们所观测到的各种粒子。

但遗憾的是，目前并没有实验证据能够支持弦理论，这个理论还只是一个十分高深的数学游戏。因为弦理论所涉及的尺度太小，只有更高的能量才有可能敲开粒子的更深次结构，目前的粒子极速器都无法达到。

三、基本粒子的内容

基本粒子表 基本粒子的概念也在随着物理学的发展而不断的变化着，人们的认识也在朝着揭示微观世界的更深层次不断地深入。 “基本粒子”的“祖孙”三代 10飞米 原子核的特写 从汤姆孙发现电子到1932年发现中子，人们认识到质子、中子、电子和光子可以称为基本粒子。当时一度认为一切都已搞清楚：质子和中子构成一切原子核；原子核和电子则构造了自然界的一切原子和分子，而光子仅仅是构成光与电磁波的最小单元。然而好景不长，对物质结构的这样一种“圆满”的解释并没能持续多久，人们很快发觉当时所发现的基本粒子不能圆满地解释核力。 第一代 35年著名的日本物理学家汤川秀树（1907～1981年）大胆假设，很可能还有未曾发现的新粒子。汤川秀树认为，就像电磁相互作用是通过交换光子而实现的那样，核力是通过核子间交换一种介子而实现的。他还估算出了这种粒子的质量大约是电子质量的200倍。两年之后，美国物理学家卡尔·戴维·安德孙（1905～年）在宇宙射线中发现了一种带电粒子，它的质量是电子的200倍左右，被命名为“m（缪）介子”。理论预言的成功使人们倍感欣慰，但进一步的考察却令人十分扫兴。因为这种m介子根本不与核子相互作用，很明显，它不可能是汤川秀树所预言的粒子。 1947年，巴西物理学家塞色，M·G·拉帝斯等人利用核乳胶在宇宙射线中又发现了一种介子——p介子。p介子的性质完全符合汤川秀树的预言，能够解释核力。实际上，“m介子”不是介子而是一种轻子，所以现在将m介子称为“m子”。到1947年，人们认识的粒子已达14种之多。其中包括当时已发现的光子(g),正负电子（e±),正负m 子（m ±)，三种p介子（p±, p0），质子（p）和中子（n）10种；另外4种就是1956年在实验室中被发现的正反电子中微子、反质子和反中子。这14种粒子各有用武之地，其中质子、中子和电子构成一切稳定的物质；光子是电磁力的传递者，p介子传递核力，中微子在b衰变中扮演不可缺少的角色（b衰变是原子核自发地放射出电子或正电子，或者俘获原子内电子轨道上的一个电子，而发生的转变）；而m子则在宇宙射线中出现。以上这些就构成了第一代粒子。 第二代 稳定的秩序似乎并没有维持多久，“完满”的旧理论很快就被一系列新的疑问所冲破。在发现p 介子的1947年，人们利用宇宙射线在云室中拍下了两张有V字形径迹的照片，衰变产物是p±介子和质子（p）。这两种径迹不能用任何当时已发现的第一代粒子来解释，于是人们很自然的想到，这一定是两种未发现的粒子衰变所形成的。在之后的几年里，人们拍摄了十多万张宇宙射线照片，终于发现了这两种不带电的新粒子。其中一个质量为电子质量的1000倍，现在被叫做“k0介子”；另一个约为电子质量的2200倍，现在称为 l粒子（读“兰布塔”）。我们称它们为第二代粒子，这是因为它们有两个明显的特点：(1) 产生快，衰变慢；(2) 成对（协同）产生，单个衰变。这些特点用过去的理论是无法解释的，所以又称它们为“奇异粒子”。 为了对这些奇异粒子进行定量研究，光靠宇宙射线是不够的。50 年代初，一些大型加速器陆续建成，使人们有可能利用加速器所加速的粒子来轰击原子核，以研究奇异粒子。 到1964年人们又陆续发现了一批奇异粒子，使人们发现的粒子种类达到了33种。这些奇异粒子统称为“第二代粒子”。 第三代 如果我们把已发现的30多种粒子按它们的稳定程度来分类，那么其中有的粒子是稳定的，例如质子、电子等；有的粒子却要自发地衰变成其它粒子，例如m ±、p±、π0、k0、λ0……等。它们衰变的时间一般在10-20 ～10-16秒或大于10-10秒，分别属于电磁作用衰变和弱作用衰变。到了60年代，由于加速器的能量逐步提高和高能探测器的迅速发展，在实验上也发现了衰变时间在10-24～10-23秒范围的快衰变粒子，其衰变属强作用衰变。这些粒子被称为“共振态粒子”，也称“第三代粒子”。由于它们的出现，使粒子种类猛增到上百

四、物理学的标准模型有哪些理论基础？

物理学中的标准模型的理论完成于上世纪70年代，是目前人类对微观世界一个系统的完善的描述。在这个模型中，物理世界由61个基本粒子构成，2012年7月欧洲LHC找到了希格斯粒子，意味着这些基本粒子都在实验室中被发现。标准模型的正确性也可体现在每次高能粒子碰撞的实验中，碰撞产生的成百上千的粒子，其特性都精确符合该模型的预测。当然也有个别问题，如中微子质量和μ子反常磁矩和模型预测在高精度上不太符合。

要构建标准模型需要哪些理论基础呢？首先它是从经典力学到量子力学等基础上一步步发展起来的。附图中以物理专业课程的为单位，显示其理论体系。需要说明的是高等量子力学、量子电动力学和规范场论等 发展的实际过程是不分家的或相互重叠的，区分这些课程是后来人们为方便教学而总结的。下面介绍几个重点的理论。像量子力学等在科普中已介绍很多这里不再重复。

它的内容主要是量子力学一些扩展如角动量和绘景等，还有重要的是狄拉克方程。1928年狄拉克提出一个符合狭义相对论的可描写电子的波函数的方程，它比薛定谔方程更为自然。最重要的是，他解释了用薛定谔方程无法解释的氢原子光谱的精细结构现象（就是某些谱线粗看是一条线，细看是多条线）。他因此也创立了相对论量子力学。遗憾的是，他不能解释氢原子光谱的超精细结构问题。

量子场论起源于量子电动力学QED，它早期是用量子力学来研究电动力学内容的，后来逐步加入狭义相对论、早期规范方法、场的思想以及正则表达等理论，发展为量子场论。我们也可以把量子电动力学和规范场理论称为量子场论。只是量子电动力学只研究电磁相互作用。

相对于早期的量子力学，量子场论是一个比较成熟和完善的量子理论。之前，量子力学使用波函数描述一个单粒子运动的，对于多粒子系统很不方便。而量子场论是针对多粒子系统，研究每一点的场，因此有无穷多自由度。

1949年施温格解决了一个曾使量子电动力学停滞20年的积分发散的难题。它的应用体现在对电子磁矩g因子的计算上，当时用相对论量子力学计算g=2，而实际测量要比理论值大千分之几。经过施温格理论修正后 (习惯用异常因子a来表示这个差别 a=g/2-1) a=0.0011614 当时实验结果为 a=0.0011597 该方法现在在量子场论叫圈图修正。之后量子场论迅猛发展起来。目前，该异常因子的理论和实验值在小数点后11位相同。这种极高的精度使得物理学家们对量子场论有了极大的信心。

它是量子场论的重要组成部分或分支。他是利用物理性质在规范变换下保持不变的特性，专门研究粒子间是如何相互作用的。稍后解释什么是规范变换。

规范变换概念早期由维里提出，用来推导出电磁相互作用的标准形式，后来，杨振宁提出杨米尔斯场，将规范变换推广到复杂情况，叫做非阿贝尔群。这个场可以用来寻找更复杂相互作用，这就是弱相互作用和强相互作用。

先看时空不变性(即洛伦兹不变性)，当坐标系旋转一个角度或匀速平移时物理规律不发生任何改变。这是宏观和微观物质在理论和实验上都遵循的规律， 这一规律有助于求得自由(远离其它物质)粒子的运动（微分）方程。 相对于时空变换，规范变换无法用可观测的物理量表示。究竟怎么定义它呢？现在两种有相互作用的不同粒子，如果对其波函数做某种变换（比如乘以模为1的复数或求导数），新波函数不会使可观测物理量发生任何改变，把这种变换称为规范变换。规范理论尤其杨米尔斯场，使得可以由规范变换找到相互作用微分方程。

规范变换有无穷多种而且是连续的，怎么表述呢？用李群描述，电磁作用是U(1)群，弱相互作用是SU(2)群，强相互作用是SU(3)群，看出这3个规范李群代表3种相互作用力。前面洛伦兹变换对应的是洛伦兹群。从某种意义上讲微观世界的规律是由这几个群代表的对称性决定的，这是规范场论给我们带来的观念。对这一理论做出最大贡献的物理学家 非杨振宁先生莫属。

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