品：科普中國(guó)

制作：花明

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七月初，歐洲核子研究中心（CERN）發(fā)布新聞會(huì)，宣布大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)底夸克實(shí)驗(yàn)（LHCb）發(fā)現(xiàn)一種由4個(gè)粲夸克組成的新粒子——X（6900）。

這也是首次發(fā)現(xiàn)四個(gè)同種夸克的“蝸居”。粲夸克是什么？為什么四個(gè)夸克住在一起也能成為大新聞？要解答這個(gè)問(wèn)題，還要從夸克說(shuō)起。

△圖片來(lái)源：自制

什么是夸克？

夸克是一種參與強(qiáng)相互作用的基本粒子，是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元。在夸克發(fā)現(xiàn)之前，化學(xué)家可以將物質(zhì)分到原子層級(jí)，由此確定了美麗昂貴的鉆石和黑乎乎的鉛筆芯其實(shí)是親兄弟，因?yàn)樗鼈兊闹饕煞侄际翘荚印?/p>

化學(xué)家把物質(zhì)分到原子就分不下去了，但是，物理學(xué)家還能分。物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，原子是由原子核和電子組成，原子核由質(zhì)子和中子組成，而質(zhì)子和中子則由夸克組成。夸克也是目前我們認(rèn)識(shí)到的最小粒子，不能再分了。

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你能想象到夸克有多小嗎？

把一根頭發(fā)撕成50萬(wàn)根，每根的粗細(xì)和一個(gè)碳原子的大小相當(dāng)。而夸克跟原子比起來(lái)，差不多就只是大象身上的一只螞蟻。可以說(shuō)，微觀世界小到超出我們的想象。即便如此，物理學(xué)家們還是要對(duì)它們進(jìn)行研究，為了方便研究描述，物理學(xué)家借助自己的想象力構(gòu)建了夸克的物理模型。

根據(jù)物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型，夸克有六種，分別是上（up）、下（down）、奇（strange）、粲（charm）、底（bottom）及頂（top），每種夸克還都會(huì)有個(gè)雙胞胎——反夸克粒子，比如c夸克的反粒子為

你可以把它們想象成六個(gè)口味的夸克冰激凌球。事實(shí)上，正是蓋爾曼和弗里奇在冰激凌店聊天時(shí)，受到不同口味的冰激凌啟發(fā)，才想到引入“味道”來(lái)區(qū)分不同的夸克。

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盡管夸克已經(jīng)小到我們不能想象，但是它們之間還是有輕重之分的。上夸克和下夸克質(zhì)量最小也最穩(wěn)定，是我們地球上最常見(jiàn)的夸克。奇夸克和粲夸克較重但很短命，曇花一現(xiàn)后就變成輕夸克了。宇宙線中還可以探測(cè)到奇夸克的蹤跡，而粲夸克和更重的底夸克、頂夸克就只能在高能實(shí)驗(yàn)中一覓芳蹤了。

夸克的發(fā)現(xiàn)史

科學(xué)家們?cè)诎l(fā)現(xiàn)電子（1897年）、質(zhì)子（1918年）、中子（1942年）這些基本粒子后，在1947年發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)介子——帶負(fù)電的π介子。接著在宇宙射線中和高能加速器實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一些不穩(wěn)定且表現(xiàn)很奇異的粒子，這也拉開(kāi)了夸克發(fā)現(xiàn)的序幕。

“夸克之父”蓋爾曼，先是引入“奇異數(shù)”去解釋那些表現(xiàn)奇異的粒子，后來(lái)又提出“夸克模型”的設(shè)想，即用三種基本夸克，u、d、s夸克來(lái)解釋當(dāng)時(shí)所發(fā)現(xiàn)的各種粒子。

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1974年，在美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)了一種新粒子，命名為J粒子。同時(shí)斯坦福的里克特(Burton Richter)領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)組也發(fā)現(xiàn)了一種新粒子，命名為ψ粒子。當(dāng)年11月11日，兩位大佬碰面才發(fā)現(xiàn)：J粒子和ψ粒子其實(shí)是一種粒子。他們共同發(fā)現(xiàn)了第四種夸克，粲（c）夸克的新粒子——

介子，他們兩位并因此獲得了1976年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1977年，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室緊接著發(fā)現(xiàn)了更重的粒子，給出了b夸克存在的證據(jù)。經(jīng)過(guò)十幾年物理科學(xué)家們的“通緝抓捕”，1995年美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室宣布找到最后一個(gè)t夸克存在的證據(jù)。最終，6種夸克在實(shí)驗(yàn)上都被“緝拿歸案”了。

夸克的“蝸居”生活

雖然夸克很小，但是它卻不被允許享受“單間”的獨(dú)居生活。實(shí)驗(yàn)中都是通過(guò)發(fā)現(xiàn)含有不同夸克的粒子來(lái)確認(rèn)這些夸克的存在，這說(shuō)明這些夸克都是結(jié)伴出現(xiàn)的。同時(shí)實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，夸克的 “蝸居”很有規(guī)律，它們總是成雙或成三組隊(duì)，兩個(gè)正反夸克住一個(gè)“介子雙人間”，三個(gè)夸克住一個(gè)“重子三人間”，或者三個(gè)反夸克住一個(gè)“反重子三人間”。原子核里面的質(zhì)子和中子都屬于重子。

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雖然基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型的法律條例，沒(méi)有對(duì)一個(gè)“粒子宿舍”能住幾個(gè)夸克進(jìn)行限制，但物理學(xué)家能抓住的不是“介子雙人間”就是“重子三人間”。既然沒(méi)有禁止“多人混居宿舍”，那么會(huì)不會(huì)有四個(gè)、五個(gè)或者更多夸克的“混居間”呢？

在探索新粒子信號(hào)的過(guò)程中，物理學(xué)家還真的發(fā)現(xiàn)了“混居間”的存在。2003年，日本KEK實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了X（3872）第一個(gè)“四夸克混居間”信號(hào)，緊接著世界各大高能物理實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了一批含有一對(duì)正反重夸克的X、Y、Z奇特粒子的“四夸克混居間”信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)上可以重復(fù)發(fā)現(xiàn)的這些“峰”雖然信號(hào)明確，但更具體的信息還不是很清楚，比如X（3872）里面居住的四個(gè)夸克種類還沒(méi)法確定，這也吸引了許多理論科學(xué)家來(lái)繼續(xù)進(jìn)行研究。而“混居間”是一種新的“四夸克混居”，還是兩個(gè)介子的“親密組合”，眾說(shuō)紛紜，還是一個(gè)未解之謎。

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2013年，我國(guó)第一臺(tái)高能加速器——北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，北京譜儀III首次捕捉到了帶電的四夸克態(tài)粒子的信號(hào)

明確是

四個(gè)夸克。這次的“四夸克混居間”被美國(guó)物理學(xué)會(huì)主辦的《物理》雜志，評(píng)選為2013年國(guó)際物理領(lǐng)域十一項(xiàng)重要成果之首。

2015年CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)底夸克實(shí)驗(yàn)（LHCb）宣布發(fā)現(xiàn)了五夸克粒子

含有五個(gè)夸克。首次發(fā)現(xiàn)“五夸克混居間”信號(hào) ，入選了英國(guó)《物理世界》雜志年度物理學(xué)領(lǐng)域“十大突破”和美國(guó)《物理》雜志年度物理學(xué)領(lǐng)域“八項(xiàng)重要成果”。2019年 LHCb再次宣布找到一個(gè)確定的五夸克態(tài)Pc（4312），“五夸克混居間”實(shí)錘了！

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今年剛發(fā)現(xiàn)的四夸克態(tài)新粒子是兩對(duì)正反粲夸克的“四人間”，同一種味道的夸克擁擠在一起的“蝸居”還是首例，這就比較有意思了，因?yàn)樗赡軙?huì)帶給我們夸克間相處的更多信息。我們?nèi)祟悓?duì)于微觀世界的認(rèn)識(shí)可以說(shuō)是管中窺豹，每發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的現(xiàn)象對(duì)于我們理解物質(zhì)起源來(lái)說(shuō)，都可能是一塊新的拼圖。這十多年盡管發(fā)現(xiàn)了很多可能的“多夸克混居”信號(hào)，但這對(duì)我們做具體的精確定量研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而這次同一種味道的夸克的組合，對(duì)我們認(rèn)識(shí)夸克間的相互作用、理解微觀世界有重大意義。

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目前，人類依靠高能加速器這樣的超級(jí)顯微鏡來(lái)探秘微觀世界，研究這些基本粒子的各種習(xí)性。而我們也僅僅只是探秘了夸克的“蝸居”生活，有比較標(biāo)準(zhǔn)的正反夸克對(duì)的“介子雙人間”和三個(gè)夸克的“重子三人間”，對(duì)夸克的“四人間”、“五人間”等多人間的“蝸居”生活，其實(shí)還很不清楚，甚至不能確定。豐富神秘的微觀世界還有很多奧秘等待人類前去探險(xiǎn)。

作業(yè)

找一找下面圖中哪個(gè)“蝸居”是被標(biāo)準(zhǔn)模型的律條允許的？

（答案可在文中第五張圖中找到）

參考文獻(xiàn)：

http://www.sci-news.com/physics/four-charm-quark-particle-08602.html

粲偶素與類粲偶素的故事 現(xiàn)代物理知識(shí) 2019 Vol. 31 (4): 30-36

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.222001

讀
在此前的一篇文章中，我們簡(jiǎn)單介紹了能夠“統(tǒng)一”描述4種基本相互作用中除了引力之外其它3種作用的規(guī)范場(chǎng)理論。基本相互作用的種類不多，迄今只歸納為四種，在這點(diǎn)上，物理學(xué)家們很幸運(yùn)。不過(guò)，它們的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，也伴隨著各類粒子的發(fā)現(xiàn)。那么問(wèn)題來(lái)了：這幾百種粒子中，哪些算是“基本粒子”呢？

撰文 | 張?zhí)烊?/strong>

責(zé)編 | 寧 茜 呂浩然

01 粒子動(dòng)物園

歷史而言，物理學(xué)的第一主導(dǎo)思想是還原論，起始于古希臘追求“萬(wàn)物之本”的哲學(xué)觀，其中較典型的有“原子派”，認(rèn)為萬(wàn)物由原子組成。

此“原子”與我們現(xiàn)在知道的原子雖然不一樣，但思維脈絡(luò)是一致的。從古希臘到19世紀(jì)初英國(guó)的道爾頓，原子學(xué)說(shuō)經(jīng)歷了2000年左右的發(fā)展和變遷，從哲學(xué)轉(zhuǎn)型成了完全不同的科學(xué)。新西蘭物理學(xué)家盧瑟福（Ernest Rutherford，1871-1937）1908年的散射實(shí)驗(yàn)確立了原子的核式結(jié)構(gòu)：多個(gè)電子在原子中心的原子核外運(yùn)動(dòng)。

盧瑟福實(shí)驗(yàn)告訴我們每種元素原子核的質(zhì)量和電量都不同，實(shí)驗(yàn)中的原子核能互相轉(zhuǎn)換。例如：用α粒子轟擊氮原子后，產(chǎn)生了氧原子和氫核。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，促使人們認(rèn)識(shí)到原子核不是基本粒子，每種元素的原子核內(nèi)部都有“氫核”這個(gè)基本組分，即原子是由某種更小的粒子組成的。后來(lái)人們把這個(gè)基本組分命名為“質(zhì)子”。之后，科學(xué)家們又在1932年發(fā)現(xiàn)了“中子”，它與質(zhì)子一同被稱為“核子”。

對(duì)核子的研究使科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)相互作用。因?yàn)橘|(zhì)子和中子被牢牢地束縛在原子核里面，一定是有某種比電磁作用要強(qiáng)很多的另一種短程的作用，才能保證帶正電的質(zhì)子之間不會(huì)因?yàn)殡姶畔嗷サ呐懦庾饔枚㈤_(kāi)。

上世紀(jì)30年代發(fā)明并開(kāi)始建造高能回旋粒子加速器之后，新粒子不斷被發(fā)現(xiàn)。其中包括輕子、介子和各種反粒子等，它們的品種日益增多，令人目不暇接。到了上世紀(jì)60年代，觀察到的不同粒子高達(dá)200多種，被科學(xué)家們笑稱為“粒子家族大爆炸”。接二連三涌現(xiàn)的粒子新品種，讓實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們興奮雀躍，也使得理論物理學(xué)家們一籌莫展。

實(shí)際上，從二十世紀(jì)五十年代開(kāi)始，理論物理學(xué)就一直充滿了挫折與困惑。四十年代末量子電動(dòng)力學(xué)的成功曾給物理理論帶來(lái)了一段蓬勃發(fā)展的燦爛時(shí)期， 但在電子、光子相互作用上頗為成功的量子場(chǎng)論，搬到“強(qiáng)弱”相互作用上后，很快就遇到了困難。

對(duì)弱相互作用而言，為了擬合b衰變的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而建立的四費(fèi)米子理論，只適合低能情況，且無(wú)法用原來(lái)的重整化方法消除無(wú)窮大。并且，弱相互作用還經(jīng)常表現(xiàn)出與眾不同的“不守恒”，三位華裔科學(xué)家——李政道、楊振寧和吳健雄聯(lián)手攻克的“宇稱不守恒”就是一例。

對(duì)強(qiáng)相互作用，當(dāng)時(shí)有一個(gè)湯川理論（Yukawa theory）可以消除無(wú)窮大的困難，但由于相互作用太強(qiáng)，使得具體計(jì)算中的微擾論無(wú)法應(yīng)用。總之，種種問(wèn)題使量子場(chǎng)論的研究一度陷于低谷。

與此同時(shí)，日益壯大的“粒子動(dòng)物園”，又使理論物理學(xué)家遇到了與19世紀(jì)中期化學(xué)家所面臨的同樣困境——急需一個(gè)類似于“元素周期表”的“粒子表”來(lái)分類和整理這些粒子。直到20世紀(jì)70年代標(biāo)準(zhǔn)模型建立后，將大多數(shù)粒子看作是少數(shù)基本粒子的復(fù)合粒子，才逐漸理清了這種混亂的局面。

有人說(shuō)，危機(jī)就是契機(jī)，歷史總是這樣反復(fù)玩弄“危機(jī)-契機(jī)”的花招來(lái)折磨科學(xué)家，它用危機(jī)嚇唬老一輩，將契機(jī)留給年輕人。量子理論的發(fā)展歷史就是一代又一代年輕物理學(xué)家爭(zhēng)奇斗艷的歷史。類似于上世紀(jì)20-30年代、60-70年代也是一個(gè)偉大的時(shí)代：實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和理論物理學(xué)家緊密合作，經(jīng)歷了許多錯(cuò)誤和挫折，也做出了一些重大突破。

重大的、里程碑式的進(jìn)步想法有三個(gè)，除了本系列已經(jīng)介紹過(guò)的對(duì)稱自發(fā)破缺（Spontaneous Symmetry Breaking）和楊-米爾斯規(guī)范理論（Yang-Mills Theory）之外，另一個(gè)是對(duì)強(qiáng)子的分類及之后的夸克模型（Quark Model）。

02 八正法和夸克模型

“粒子動(dòng)物園”中，包括很多與強(qiáng)相互作用相關(guān)、壽命超短（～ 10-23秒）的共振態(tài)粒子，它們和中子質(zhì)子一起被稱為“強(qiáng)子”。強(qiáng)子種類之多和其間相互作用之強(qiáng)吸引了很多年輕物理學(xué)家們的興趣，默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann，1929-2019）是其中之一。

蓋爾曼出生于紐約曼哈頓，是早年從奧匈帝國(guó)移居美國(guó)的猶太家庭的后代。蓋爾曼記憶超群、興趣廣泛、語(yǔ)言能力極強(qiáng)，曾被同學(xué)們譽(yù)為“百科全書(shū)”，他本來(lái)特別喜歡花鳥(niǎo)蟲(chóng)草、各種植物動(dòng)物，但一不小心闖入了理論物理的象牙塔中。

蓋爾曼在美國(guó)耶魯大學(xué)讀本科，麻省理工學(xué)院修習(xí)博士，又到著名的普林斯頓研究院進(jìn)修一年，彼時(shí)正值愛(ài)因斯坦在那兒閉門營(yíng)造統(tǒng)一夢(mèng)的日子。1952年，蓋爾曼來(lái)到芝加哥大學(xué)的費(fèi)米（Enrico Fermi，1901-1954）手下工作，并對(duì)強(qiáng)相互作用產(chǎn)生了興趣。

提出“奇異數(shù)”的概念是蓋爾曼對(duì)強(qiáng)相互作用所做的第一項(xiàng)重要貢獻(xiàn)。后來(lái)，蓋爾曼轉(zhuǎn)到加州理工學(xué)院，與比他大10歲的費(fèi)曼（Richard Feynman ，1918-1988）一起成為上世紀(jì)50-60年代物理界最耀眼的明星。許多物理思想在兩位對(duì)手間激烈的競(jìng)爭(zhēng)和永無(wú)休止的爭(zhēng)吵辯論中發(fā)展成熟起來(lái)，據(jù)說(shuō)這成為加州理工學(xué)院物理系的傳統(tǒng)風(fēng)格。包括溫伯格（Steven Weinberg, 1933-）在內(nèi)的物理學(xué)家們都對(duì)那兒強(qiáng)烈的“攻擊性”和“戰(zhàn)斗性”有所體會(huì)：到那兒去作報(bào)告時(shí)務(wù)必得做好長(zhǎng)時(shí)間“激戰(zhàn)”的準(zhǔn)備。

1954年，楊振寧和米爾斯提出Yang-Mills非阿貝爾規(guī)范理論的初衷，也是企圖解決強(qiáng)相互作用的問(wèn)題。他們用SU(2)群[注]碰到的困難啟發(fā)了蓋爾曼：“粒子動(dòng)物園”中強(qiáng)子太多，強(qiáng)子的對(duì)稱性或許要用比SU(2)更復(fù)雜一些的群來(lái)描述？聰明的蓋爾曼選中了SU(3)，這是一個(gè)有8個(gè)參數(shù)的李群。

從8這個(gè)數(shù)字，蓋爾曼聯(lián)想到佛教術(shù)語(yǔ)“八正道”（圖3a），又想到自旋為1/2的重子正好也有8個(gè)。于是，蓋爾曼將這8個(gè)重子按照奇異數(shù)和電荷數(shù)的不同，排列成了一個(gè)正六邊形圖案（圖3b，六角各一個(gè)中子，中心點(diǎn)重合兩個(gè)）。在圖3b中，S是奇異數(shù)，表示縱向坐標(biāo)，斜向的對(duì)角線表示粒子具有相同的電荷。接著，蓋爾曼如法炮制，又將不同種類的介子也排成了8個(gè)一組的正六邊形（圖3c），得到了他稱之為“八正法（eightfold way）”的模型。

蓋爾曼發(fā)現(xiàn)，雖然SU(3)群是8階李群，但它的表示并不只限于8重態(tài)，還有10重態(tài)、27重態(tài)等，這些表示又代表哪些粒子呢？開(kāi)始時(shí)，蓋爾曼想把“粒子動(dòng)物園”中的強(qiáng)子成員盡可能地排列到SU(3)群的表示中。但后來(lái)感覺(jué)不能這樣沒(méi)完沒(méi)了地排下去，上百個(gè)粒子，要排到何年何月啊。此外，蓋爾曼注意到，SU(3)還有一個(gè)最簡(jiǎn)單的3重態(tài)表示，似乎SU(3)的其它表示都可以用3重態(tài)的圖案（圖3中的三角形）擴(kuò)展構(gòu)造而成。這些事實(shí)，又使得數(shù)字“3”經(jīng)常浮現(xiàn)在蓋爾曼的腦海里。

看起來(lái)，數(shù)字3與強(qiáng)子的構(gòu)造一定有點(diǎn)關(guān)系。質(zhì)子和中子為什么不可以是由3個(gè)更基本的粒子構(gòu)成的呢？讓物理學(xué)家們?cè)谶@個(gè)念頭上止步的原因與電荷有關(guān)，因?yàn)檫@個(gè)理論需要假設(shè)這些更“基本”的磚塊具有分?jǐn)?shù)電荷，比如1/3個(gè)電子電荷。可是，在實(shí)驗(yàn)中誰(shuí)也沒(méi)見(jiàn)過(guò)分?jǐn)?shù)電荷。但沒(méi)見(jiàn)過(guò)的東西不等于不存在，歷史上這種事情多的是。最后，蓋爾曼終于越過(guò)了這個(gè)“坎”，開(kāi)始用這些帶分?jǐn)?shù)電荷的東西來(lái)構(gòu)建理論，并且給它們起了一個(gè)古怪的名字“夸克”（quark），它來(lái)自于蓋爾曼當(dāng)時(shí)正在讀的喬伊斯（James Joyce，1882-1941）的一本小說(shuō)，蓋爾曼欣賞其中的一句：“沖馬克王叫三聲夸克！”太好了，念起來(lái)聲音響亮，含義帶點(diǎn)莫名其妙的色彩，又與數(shù)字3有關(guān)，真是一個(gè)恰當(dāng)?shù)拿帧?/p>

于是，經(jīng)過(guò)了多次的反復(fù)和猶豫之后，蓋爾曼1964年提出了夸克模型，認(rèn)為每個(gè)重子由3個(gè)夸克（或反夸克）組成，每個(gè)介子都由兩個(gè)夸克（或反夸克）構(gòu)成。但是，實(shí)驗(yàn)中從未觀察到單獨(dú)的夸克，這點(diǎn)可由“夸克禁閉”（quark confinement）的理論來(lái)解釋。

1968年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室 SLAC用深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)，證明了質(zhì)子存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也間接證明了夸克的存在。之后，又有更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了強(qiáng)子的夸克模型。蓋爾曼因?yàn)樗麑?duì)基本粒子的分類及其相互作用的貢獻(xiàn)，單獨(dú)獲得了1969年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

蓋爾曼對(duì)粒子物理做出了杰出的貢獻(xiàn)，獲諾獎(jiǎng)是實(shí)至名歸。不過(guò)，強(qiáng)子分類也不完全是他一人的功勞。蓋爾曼也并非唯一的一個(gè)，也不是第一個(gè)用SU(3)群研究強(qiáng)子的人。日本的坂田昌一（Sakata Shyoichi，1911-1970）及其研究小組在上世紀(jì)50年代就提出基于SU(3)的坂田模型（Sakata model），他們將質(zhì)子、中子和L粒子作為基本磚塊，企圖構(gòu)成其它的重子。在蓋爾曼提出八正法的同一年（1961年），以色列的內(nèi)埃曼（Yuval Ne'eman，1925-2006）也獨(dú)立地開(kāi)發(fā)出一套相近的理論。兩人還幾乎同時(shí)獨(dú)立地用他們各自的理論，預(yù)言了W-粒子的存在。這個(gè)粒子在1964年被發(fā)現(xiàn)，也是對(duì)八正法模型的強(qiáng)有力支持。

無(wú)巧不成書(shū)，蓋爾曼提出夸克模型的同時(shí)，另一位出生于莫斯科的猶太裔美國(guó)物理學(xué)家喬治·茨威格（George Zweig，1937-）也獨(dú)立提出了類似的模型。當(dāng)然不會(huì)也叫夸克，茨威格將其稱為“艾斯”（Aces），果然是“英雄所見(jiàn)略同”。也由此可見(jiàn)，夸克的引入是粒子物理學(xué)的一項(xiàng)重要里程碑。

而不同的是，茨威格后來(lái)沒(méi)有繼續(xù)物理研究，而是轉(zhuǎn)向了神經(jīng)生物學(xué)。

03 弱電統(tǒng)一

比較人類早就熟悉的電磁作用而言，強(qiáng)相互作用是電磁作用的137倍，而弱相互作用則比電磁作用要小11個(gè)數(shù)量級(jí)，即F弱=10-11xF電磁。

電磁和引力的作用范圍直至無(wú)窮遠(yuǎn)，強(qiáng)力范圍在10-15米之內(nèi)，而弱力只在10-18米的距離內(nèi)有作用。弱力研究不易，因?yàn)樗葟?qiáng)力小得多（小13個(gè)數(shù)量級(jí)），作用范圍更短（3個(gè)數(shù)量級(jí)）。不過(guò)，在統(tǒng)一的意義上，卻是首先有了弱力和電磁力的統(tǒng)一，這要?dú)w功于1979年的三位諾貝爾物理獎(jiǎng)得主以及他們的前輩。

這三位物理學(xué)家非同一般，其中的兩位：格拉肖（Sheldon Lee Glashow，1932-）和溫伯格是美國(guó)物理學(xué)家。難得的是，他們都出生于紐約的猶太移民家庭。并且兩位還是高中同班同學(xué)，同畢業(yè)于那所有8位校友獲得諾貝爾獎(jiǎng)（其中7位物理學(xué)獎(jiǎng)）的紐約布朗克斯科學(xué)高中（Bronx High School of Science），之后兩位又同時(shí)進(jìn)入了康奈爾大學(xué)讀本科。兩人在讀博士時(shí)分道揚(yáng)鑣，但后來(lái)又走上了同樣的研究方向。1979年物理諾獎(jiǎng)得主的另一位，是巴基斯坦物理學(xué)家薩拉姆（Abdus Salam，1926-1996）。他是諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)首位穆斯林得主，也是首位巴基斯坦籍諾貝爾獎(jiǎng)得主。

其中，格拉肖在哈佛讀博士時(shí)，師從著名物理學(xué)家施溫格（Julian Schwinger，1918-1994）。施溫格最早提出了電弱統(tǒng)一理論的想法。1961年，格拉肖使用楊-米爾斯規(guī)范理論，推廣了施溫格的模型，用SU(2)xU(1)群統(tǒng)一描述弱電作用，但留下了規(guī)范場(chǎng)的質(zhì)量問(wèn)題尚未解決。電磁場(chǎng)的傳播子是無(wú)質(zhì)量的光子，意味著其代表的相互作用的強(qiáng)度隨著距離增加是多項(xiàng)式衰減（勢(shì)場(chǎng)變化1/r）。因此，電磁力是長(zhǎng)程力，而弱作用（短程）的衰減規(guī)律是 e-mr/r，其中的m不為零，是傳播子的質(zhì)量。

直到1967年，希格斯機(jī)制已經(jīng)問(wèn)世，溫伯格和薩拉姆首先分別獨(dú)立地將它應(yīng)用并發(fā)展了一種弱電統(tǒng)一理論。這種統(tǒng)一理論后來(lái)被稱為量子味動(dòng)力學(xué)（QFD）。它確定了電弱統(tǒng)一的規(guī)律由SU(2)xU(1)描述，存在4種作用傳播子：光子、W＋和W－粒子、Z0粒子，其中W粒子和Z粒子是傳播弱作用的粒子，都具有較大的質(zhì)量（大于質(zhì)子質(zhì)量的100倍）。弱電模型預(yù)言的Z粒子引發(fā)的中性流于1973年被中微子散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)（1978年最后證實(shí)），于是三名科學(xué)家贏得了1979年諾獎(jiǎng)。之后，W和Z粒子均在1983年被西歐核子研究中心龐大的超同步質(zhì)子加速器發(fā)現(xiàn)，另有韋爾特曼（Martinus J.G. Veltman，1931-）和他的學(xué)生赫拉爾杜斯·霍夫特（Gerardus 't Hooft，1946-）用路徑積分方法完成了弱電理論的重整化。這些成果，更進(jìn)一步證實(shí)了弱電理論的正確性。

04 標(biāo)準(zhǔn)模型

在夸克模型基礎(chǔ)上建立了量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）之后，標(biāo)準(zhǔn)模型便基本成型了。在此不詳細(xì)介紹QCD，僅略微瀏覽一下標(biāo)準(zhǔn)模型。

首先要明確澄清一下什么叫“基本粒子”。基本粒子被定義為是組成物質(zhì)的最基本單位。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)未知，所以也無(wú)法確認(rèn)是否由其它更基本的粒子組成。由上述定義可知，基本粒子的概念是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而改變的。例如，20世紀(jì)中期，基本粒子是指質(zhì)子、中子、電子、光子和各種介子，因?yàn)檫@是當(dāng)時(shí)人類所能探測(cè)到的不可分的最小粒子。然而，之后隨著實(shí)驗(yàn)和理論的進(jìn)展，物理學(xué)家們認(rèn)為質(zhì)子、中子、介子是由更基本的夸克和膠子等組成，因而將粒子重新分類，成為圖5所示的標(biāo)準(zhǔn)模型。

從圖5可見(jiàn)，基本粒子分類并不復(fù)雜，比元素周期表看起來(lái)簡(jiǎn)單多了。首先，從自旋的角度，所有的微觀粒子分為兩大類：費(fèi)米子和玻色子。自旋為半整數(shù)的粒子為費(fèi)米子；自旋為整數(shù)的粒子為玻色子。

基本粒子的總數(shù)目有62種，但從圖中所示的大框架來(lái)看，主要方塊中只有4X4=16類基本粒子，12類費(fèi)米子和4類玻色子。加上各種反粒子，再加上希格斯玻色子，共61種，如果再考慮尚未包括到標(biāo)準(zhǔn)模型中的引力子的話，便是62種。

圖5左邊12類費(fèi)米子按4個(gè)1組，分別成為夸克和輕子的3代家族。只有第一代家族的4個(gè)粒子：上夸克、下夸克、電子、電子中微子，是構(gòu)成通常可見(jiàn)物質(zhì)的基本磚塊。其它兩代家族，都與常見(jiàn)物質(zhì)無(wú)關(guān)，并且它們算是第一代家族衍生出來(lái)的更重的版本。所以除了專門的粒子學(xué)家之外，我們可以暫時(shí)不去了解它們，也沒(méi)有必要記住它們。

質(zhì)子和中子不再被認(rèn)為是物質(zhì)的基本單元，它們屬于復(fù)合粒子，由更小更為基本的夸克和反夸克構(gòu)成，每個(gè)質(zhì)子由2個(gè)上夸克和1個(gè)下夸克組成；每個(gè)中子則由1個(gè)上夸克和2個(gè)下夸克組成。

比較復(fù)雜一點(diǎn)的是4類玻色子（12種），它們是相互作用的傳遞媒介粒子。

玻色子中，列于最上面的膠子（gluon）用符號(hào)g表示，是夸克之間強(qiáng)相互作用的傳播粒子。膠子場(chǎng)是SU(3)群，有8個(gè)生成元，因而膠子有8種，膠子的自旋是1。膠子之下是光子，在圖5中用符號(hào)g表示，它是電磁相互作用的傳播粒子。電磁場(chǎng)符合U(1)對(duì)稱性，U(1)有1個(gè)生成元，因而對(duì)應(yīng)的傳播子（光子）只有一種，光子的自旋為1。然后，Z粒子和W粒子是傳播弱相互作用的，共3種。

圖5的最右上方，是曾經(jīng)介紹過(guò)的質(zhì)量的來(lái)源——希格斯玻色子。

值此，從基礎(chǔ)粒子的演變，到蓋爾曼定義夸克的歷程，再到弱相互作用與電磁力的統(tǒng)一，一幅完整的標(biāo)準(zhǔn)粒子模型圖像就這樣展現(xiàn)在了我們眼前。這也是迄今為止科學(xué)家描繪的最為細(xì)致、清晰的事物組成的圖像。

[注]有關(guān)群、對(duì)稱、李群：

簡(jiǎn)單地說(shuō)，群就是一組元素的集合，在集合中每?jī)蓚€(gè)元素之間，定義了符合一定規(guī)則的某種乘法運(yùn)算規(guī)則。群是對(duì)稱性的數(shù)學(xué)表述，離散對(duì)稱性對(duì)應(yīng)于離散群（如雪花的六邊形對(duì)稱），連續(xù)對(duì)稱性對(duì)應(yīng)連續(xù)群（如圓形對(duì)應(yīng)于2維實(shí)空間旋轉(zhuǎn)群）。李群是由有限個(gè)實(shí)（復(fù)）參數(shù)的連續(xù)變化而生成的連續(xù)群。U(1)、 SU(2) 、SU(3)都是李群的例子，分別表示1、2、3維復(fù)數(shù)空間的旋轉(zhuǎn)。

更多有關(guān)“群”的科普介紹，請(qǐng)參閱：

http://blog.sciencenet.cn/blog-677221-878891.html