基本粒子

粒子物理學中，基本粒子是組成物質最基本的單位。其內部結構未知，所以也無法確認是否由其它更基本的粒子所組成^[1]。隨着物理學的不斷發展，人類對物質構成的認知逐漸深入，因此基本粒子的定義隨時間也有所變化。目前在標準模型理論的架構下，已知的基本粒子可以分為費米子（包含夸克和輕子）以及玻色子（包含規範玻色子和希格斯粒子）。由兩個或更多基本粒子所組成的粒子則稱作複合粒子。

我們日常生活中的物質由原子所組成。過去原子被認為是基本粒子，原子（ἄτομος）這個詞來自古希臘語中「不可切分的」。直到約1910年以前，原子的存在與否仍存在爭議，一些物理學家認為物質是由量子所組成，而分子不過是數學上的一種猜想^[1]^[2]。之後，原子核被發現是由質子和中子所構成。20世紀前、中期的基本粒子是指質子、中子、電子、光子和各種介子，這是當時人類所能探測的最小粒子。隨著實驗和量子場論的進展，發現質子、中子、介子是由更基本的夸克和膠子所組成。同時人類也陸續發現性質和電子類似的一系列輕子，還有性質和光子、膠子類似的一系列規範玻色子。這些是現代的物理學所理解的基本粒子。

分類

各個基本粒子和複合粒子家族的概述，並說明它們之間相互作用的理論。費米子在左邊，和玻色子在右邊。

費米子

基本費米子分為 2 類：夸克和輕子。

夸克

目前的實驗顯示共存在6種夸克，和他們各自的反粒子。這6種夸克又可分為3「代」。他們是

第一代：u（上夸克） d（下夸克）

第二代：s（奇夸克） c（粲夸克）

第三代：b（底夸克） t（頂夸克）

它們的質量關係是 $m_{u}\simeq m_{d}<m_{s}<m_{c}<m_{b}<m_{t}$ 。另外值得指出的是，他們之所以未能被早期的科學家發現，是由於被稱為夸克禁閉的現象，即夸克不會單獨存在（頂夸克例外，但是頂夸克太重了而衰變又太快，早期的實驗無法製造），而總是成對地構成介子，或者3個一起構成質子和中子這一類的重子。這也是早期科學家誤以為介子和重子是基本粒子的原因。

輕子

共存在6種輕子和他們各自的反粒子。其中3種是電子和與它性質相似的 $\mu$ 子和 $\tau$ 子。而這三種各有一個相伴的微中子。他們也可以分為三代：

第一代： $e$ （電子） $\nu _{e}$ （電微中子）

第二代： $\mu$ （渺子） $\nu _{\mu }$ （緲中微子）

第三代： $\tau$ （濤子） $\nu _{\tau }$ （陶中微子）

玻色子

玻色子是依隨玻色-愛因斯坦統計，自旋為整數的粒子。

規範玻色子

這是一類在粒子之間起媒介作用、傳遞相互作用的粒子。之所以它們稱為「規範玻色子」，是因為它們與基本粒子的理論楊-米爾斯規範場理論有很密切的關係。

自然界一共存在四種相互作用，因此也可以把規範玻色子分成四類。

重力相互作用：重力子（尚未被實驗證實）
電磁相互作用：光子
弱相互作用（使粒子衰變的相互作用）：W及Z玻色子，共有3種： $W^{+},W^{-},Z^{0}$
強相互作用（夸克之間的相互作用）：膠子

粒子物理學已經證明電磁相互作用和弱相互作用來源於宇宙早期能量極高時的同一種相互作用，稱為「電弱相互作用」。有很多粒子物理學家猜想在更早期宇宙更高能量（普朗克尺度）時很可能這四種相互作用全都是統一的，這種理論稱為"萬有理論"。但是目前因為加速器能夠達到的能量相對普朗克尺度仍然非常的低，所以很難驗證。而大一統理論目前主要的發展方向是超弦理論。

膠子是強相互作用的媒介子，帶有色與反色並由於色緊閉而從未被探測器觀察到過。不過，像單個的夸克一樣，它們產生強子噴注。在高能態環境下電子與正電子的對滅有時產生三個噴註：一個夸克，一個反夸克和一個膠子是最先證明膠子存在的證據。

希格斯粒子

希格斯玻色子是一種具有質量的玻色子，沒有自旋，不帶電荷，非常不穩定，在生成後會立刻衰變。在標準模型預言的61種基本粒子中，希格斯玻色子是最後一種被實驗證實的粒子。

標準模型外的理論性粒子

超對稱粒子

除了以上這些實驗已經證明的基本粒子之外，理論粒子物理學家為了解釋某些現有理論無法解釋的實驗現象，而猜想我們的宇宙中可能存在超對稱粒子。它們質量非常地大（相對一般粒子如質子而言），因此現有的加速器還無法製造他們。但是因為量子漲落的存在，因此它們可能在非常短的時間間隔內和非常小的機率下與我們可見的粒子發生相互作用，因此它們可以間接地探測到。目前每種粒子都被認為存在對應的超對稱粒子。並且被用來解釋某些物理現象。例如夸克的超對稱粒子用來解釋正反粒子數目的不對稱，以及微中子的超對稱粒子用來解釋為什麼微中子的質量如此之小（但不是等於0）。

假想的粒子

有一些粒子，僅僅是理論學家的假想，而基本沒有確切的實驗根據，因此可能宇宙中根本不存在。這些粒子的提出或者只是為了給某些現有的現象作一種可能的解釋，或者僅僅是這種粒子如果存在也不會破壞現有的物理定律，因此我們沒有理由相信他們一定不存在而已。例如某些科學家認為占宇宙總能量約25%的「暗物質」，就是一種與其他物質作用極其微弱的但是有質量的粒子（WIMP）。此外也有一些理論研究某些速度永遠大於光速的速子，以及磁單極子或加速子等等。

參考文獻

^ ^1.0 ^1.1 Sylvie Braibant; Giorgio Giacomelli; Maurizio Spurio. Particles and Fundamental Interactions: An Introduction to Particle Physics 2nd. Springer. 2012: 1–3. ISBN 978-94-007-2463-1.
^ Ronald Newburgh; Joseph Peidle; Wolfgang Rueckner. Einstein, Perrin, and the reality of atoms: 1905 revisited (PDF). American Journal of Physics. 2006, 74 (6): 478–481 [2015-01-17]. doi:10.1119/1.2188962. （原始內容 (PDF)存檔於2017-08-03）.

外部連結

（英文）粒子數據集團(Particle Data Group)（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） - 關於有關基本粒子物理學當前的實驗和理論知識，最重要的地址是粒子數據組（英語：Particle Data Group），其中不同的國際機構收集所有的實驗數據，並以當代的理論認識給出短的評論。
（英文）CERNCourier: Season of Higgs and melodrama（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
（英文）五夸克資訊頁
（英文）Interactions.org（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, 粒子物理學新聞

參見

[PFIp1-3-1] 1.0 ^1.1 Sylvie Braibant; Giorgio Giacomelli; Maurizio Spurio. Particles and Fundamental Interactions: An Introduction to Particle Physics 2nd. Springer. 2012: 1–3. ISBN 978-94-007-2463-1.

[2] Ronald Newburgh; Joseph Peidle; Wolfgang Rueckner. Einstein, Perrin, and the reality of atoms: 1905 revisited (PDF). American Journal of Physics. 2006, 74 (6): 478–481 [2015-01-17]. doi:10.1119/1.2188962. （原始內容 (PDF)存檔於2017-08-03）.

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