1、18-10 粒子物理的標準模型粒子物理的標準模型 標準模型標準模型(standard model of particle physics)總結從總結從20世紀世紀60到到90年代粒子物理方年代粒子物理方面的實驗和理論成果，逐漸建立起來的粒子物面的實驗和理論成果，逐漸建立起來的粒子物理體系。理體系。 組成物質基本單元是三代費米子組成物質基本單元是三代費米子(包括輕子和包括輕子和夸克夸克)，它們之間存在著四類基本相互作用，它們之間存在著四類基本相互作用(包括包括強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引力相互作用力相互作用)，傳遞基本相互作用的媒介粒子是，傳遞

2、基本相互作用的媒介粒子是規范玻色子規范玻色子(膠子、光子、中間玻色子和尚未發膠子、光子、中間玻色子和尚未發現的引力子現的引力子)，以及描述電弱相互作用的電弱統，以及描述電弱相互作用的電弱統一理論和描述強相互作用的量子色動力學。一理論和描述強相互作用的量子色動力學。 一、三代費米子一、三代費米子 (three generations of fermions) 自旋皆自旋皆1/2，電荷和色數如表所示。輕子參與弱，電荷和色數如表所示。輕子參與弱相互作用或電磁相互作用，不參與強相互作用。中相互作用或電磁相互作用，不參與強相互作用。中微子靜質量微子靜質量0，子和子和子的靜質量分別是電子的子的靜質量分別是

3、電子的206.7683倍和倍和3477.7倍。倍。 第三代第三代第二代第二代第一代第一代 夸夸 克克 輕輕 子子粒粒 子子電荷色數電荷色數e111111e010101u233/c233/t233/d1 33/s1 33/b1 33/ 引入引入“代量子數，將輕子和夸克分為三代，代量子數，將輕子和夸克分為三代，每一代都包括電荷分別為每一代都包括電荷分別為2e/3和和-e/3的兩個夸克，的兩個夸克，一個帶電輕子和一個中微子。每代費米子中，輕子一個帶電輕子和一個中微子。每代費米子中，輕子的總電量為的總電量為-e，夸克的為，夸克的為+e，每一代的總電量為零。，每一代的總電量為零。 質子和中子分別由夸克質

4、子和中子分別由夸克uud和夸克和夸克udd組成，我組成，我們的物質世界是由第一代費米子構成的，第二代和們的物質世界是由第一代費米子構成的，第二代和第三代費米子構成的物質只在高能條件下出現。第三代費米子構成的物質只在高能條件下出現。 輕子和夸克尚未發現內部結構，被認為是類點輕子和夸克尚未發現內部結構，被認為是類點粒子，是組成物質的基本單元。粒子，是組成物質的基本單元。二、二、 基本相互作用基本相互作用 夸克夸克強子強子, 夸克夸克, 帶電輕子帶電輕子強子強子, 夸克夸克, 輕子輕子所有粒子所有粒子參與作用參與作用的粒子的粒子1.41310-15 m 2.4610-18 m 力程力程1 10-2

5、10-9 10-39 相對強度相對強度色荷色荷 電荷電荷弱荷弱荷 質量質量 力源力源 膠子膠子 光子光子中間玻色子中間玻色子(W+, W- , Z0 ) 引力子引力子 媒介子媒介子強相互作強相互作用用 電磁相互電磁相互作用作用 弱相互作弱相互作用用 引力相互引力相互作用作用 力的種類力的種類 (1) 夸克間作用實際是色荷間相互作用，色相互夸克間作用實際是色荷間相互作用，色相互作用才是基本的強相互作用；作用才是基本的強相互作用； 夸克模型的成功對強相互作用加深了認識：夸克模型的成功對強相互作用加深了認識： (2) 色中性核子間的核力作用是基本強相互作用色中性核子間的核力作用是基本強相互作用的一種

6、剩余效應，像把電中性原子結合成分子的作的一種剩余效應，像把電中性原子結合成分子的作用是電子與核間電磁相互作用的剩余效應一樣；用是電子與核間電磁相互作用的剩余效應一樣； (3) 一切強子之間通過介子傳遞的強相互作用一切強子之間通過介子傳遞的強相互作用都是色相互作用的剩余效應。都是色相互作用的剩余效應。 電弱統一理論的成功激勵人們繼續研究和探索電弱統一理論的成功激勵人們繼續研究和探索“大統一理論大統一理論”，力圖把電弱相互作用與強相互，力圖把電弱相互作用與強相互作用統一起來，并最終把引力相互作用也統一在作用統一起來，并最終把引力相互作用也統一在其中。這是人們期待已久的事。其中。這是人們期待已久的事

7、。 1967年溫伯格和薩拉姆提出電磁相互作用與弱年溫伯格和薩拉姆提出電磁相互作用與弱相互作用統一的規范理論，電磁相互作用和弱相相互作用統一的規范理論，電磁相互作用和弱相互作用是同一種基本相互作用，即電弱相互作用互作用是同一種基本相互作用，即電弱相互作用的兩種表現形式。得到一系列實驗的證實。的兩種表現形式。得到一系列實驗的證實。三、三、 規范玻色子規范玻色子 (gauge bosons) 傳遞基本相互作用的媒介粒子統稱規范玻色子。傳遞基本相互作用的媒介粒子統稱規范玻色子。 1 318個個 數數000質質 量量2 111自自 旋旋引力相互引力相互作用作用色相互色相互作用作用傳遞的相傳遞的相互作用互

8、作用引力子引力子g中間玻色子中間玻色子(W ,W -,Z 0 ) 光子光子 膠子膠子G粒粒 子子 電弱相互作用電弱相互作用mWGeV(. )8352 7mZGeV093 02 5(. ) 膠子是傳遞夸克之間色相互作用的媒介粒子，膠子是傳遞夸克之間色相互作用的媒介粒子，是是“色場的量子。兩個不同色狀態的夸克通過色場的量子。兩個不同色狀態的夸克通過膠子緊密地結合在一起，所以膠子必定是雙色的。膠子緊密地結合在一起，所以膠子必定是雙色的。 光子光子 和中間玻色子和中間玻色子(W、W-及及Z0 )分別是分別是電磁相互作用和弱相互作用的媒介子，在電弱統電磁相互作用和弱相互作用的媒介子，在電弱統一理論中，這

9、四種粒子都是電弱作用的場量子，一理論中，這四種粒子都是電弱作用的場量子，它們都是零質量的粒子。它們都是零質量的粒子。 分析表明，膠子只可能有分析表明，膠子只可能有8種色狀態，所以在種色狀態，所以在上表中標出的膠子的個數為上表中標出的膠子的個數為8。 但由于對稱性的破缺，只有一種媒介子但由于對稱性的破缺，只有一種媒介子(光子光子)保持了零質量，而其它三種獲得了巨大的質量。保持了零質量，而其它三種獲得了巨大的質量。致使對稱性破缺的機制稱為希格斯致使對稱性破缺的機制稱為希格斯(Higgs)機制。機制。 所以理論上確信，必定還存在一種被稱為希格所以理論上確信，必定還存在一種被稱為希格斯粒子的粒子。斯粒子的粒子。 傳遞引力相互作用的媒介