标准模型与“上帝粒子”
前一阵子,有关“上帝粒子”的新闻甚嚣尘上,笔者是位业余的物理学爱好者,对这个新闻自然相当关注。想必很多博友都知道,“上帝粒子”是希格斯玻色子(Higgs Boson)的俗称,是著名的“标准模型” (Standard Model)中最后一个尚未被发现的粒子。不过,针对“标准模型”中基本粒子的数量,在各种不同的报道中,笔者看到了三个不同的版本:
1. 标准模型理论预言了62种基本粒子的存在,希格斯玻色子是唯一尚未被发现的粒子。
2. 标准模型预言的61个基本粒子中的60个都已经得到了实验数据的支持与验证,唯独希格斯玻色子尚未得到实验证实。
3. 标准模型理论预言了62种基本粒子,其中的60种已被证实。
以上描述中,两个版本说有62种基本粒子,一个说只有61种;两个版本说有60种基本粒子已被证实,一个说证实了61种。其中,最多见的是第一个版本,后面两个较少一些,笔者建议诸位不妨上网搜索一番,验证一下。
上述三种描述只可能有一种是正确的,但是哪一个版本呢?笔者是粒子物理的门外汉,困惑之余在脑海中也没有现成的答案,但笔者一向认为,科学的精髓之一就是“顶真”,于是想通过自身的学习来澄清这个非常重要和基本的事实。
要回答上述问题,我们必须先了解什么是“标准模型”,在网上我们可以轻易地搜索到如下的答案:
标准模型包含费米子及玻色子——费米子为拥有半整数(1/2)的自旋并遵守泡利不相容原理的粒子;玻色子则拥有整数自旋(1)而并不遵守泡利不相容原理。简单来说,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。
上述解释来自“维基百科”的词条,其它资料的表述可能与此有所区别,但本质是一致的,或者说,在对标准模型的理解方面,各种资料是统一的,并无分歧。
下表是最常见的标准模型粒子表,笔者也喜欢这种用色彩来区分不同种类粒子的方法。其中,左侧三列表示费米子,费米子可分为夸克(紫色)和轻子(绿色),又可分成I、II、III三个“世代”,每一列表示一代。所有普通物质都是由第一代的粒子所组成,因为质子和中子均由上、下夸克组成,再加上属于轻子的电子,就组成了原子,而我们一般意义上的普通物质都是由原子组成的;第二及第三代粒子只能在宇宙射线或是高能实验中制造出来,而且会在短时间内衰变成第一代粒子。该表的最右侧一列(橙色)代表玻色子(表中错误地写成了波色子,我们国人的粗心真是无处不在啊)
但是,笔者对这张表有两个疑问,一是找不到“主角”希格斯玻色子;二是怎么只有16种粒子呢?我们先回答第二个问题。
原来,夸克和轻子都有其自身的反粒子,比如我们所熟知的电子就有正电子(带正电荷)作为其反粒子。如此一来,夸克和轻子的数量就可翻一倍,不过,这离60多还差了一大截。
笔者这里打断一下,下图也是笔者很喜欢的,一是因为它对这些基本粒子有简要的说明,而且还直观地描绘了它们之间的质量差别。不过需要强调的是,这些粒子的质量可差几百、甚至几万倍,大家不可过于直观地“看图理解”。
上文中我们知道,夸克和反夸克各有6种,共12种,每种再乘以3种“色”,就得到了36种夸克。至此我们可以来算一些基本粒子的总数了:
夸克+反夸克: (6+6)X 3 = 36
轻子+反轻子: 6 + 6 = 12
玻色子: 4
上述相加得到52种基本粒子,还是不够啊。原来玻色子中还有名堂。
在标准模型中,玻色子包括:负责传递电磁力的光子;负责传递弱核力的W及Z玻色子;负责传递强核力的胶子。其中光子是我们最熟悉的基本粒子之一,它的“波粒两相性”曾搅得20世纪初的世界物理界鸡犬不宁。W子其实有两个:W+ 和W- ,两者互为反粒子。而Z粒子因为不带电荷,没有反粒子。传递强核力的胶子又8种之多,是它们把夸克紧紧地“粘”在一起,形成了质子和中子等所谓强子。这样算来,玻色子共有1+3+8 = 12种,再加上36种夸克和12种轻子,总共60种基本粒子,而且这60种基本粒子都已经得到了物理学家的证实。因此,我们可以肯定地说:目前已得到证实的基本粒子有60种,而非61种。
2012年7月4日,欧洲核子研究组织CERN宣布发现质量为125.3±0.6 GeV/c2 的新粒子,其行为方式和标准模型中的希格斯玻色子相似,疑似“上帝粒子”,但要确认其为本尊还需一些时间,因为科学的另一个精髓是严谨。而希格斯玻色子并不在我们上述所计算的60种基本粒子之中,因此,标准模型的基本粒子至少有61种。
那么为什么很多资料说有62种基本粒子呢?笔者的推测是,他们算入了“引力子”。对物理学有所了解的朋友都知道,在整个宇宙中只有四种力,前文提到了其中的三种:电磁力、弱核力和强核力,还有一种就是著名的引力。标准模型之所以重要,是因为它统一了电磁力、弱核力和强核力,但并不包括引力。有很多模型试图把引力也包括进去,但那已不是我们这里所说的标准模型了。而且引力子时至今日还未得到任何实验数据的支持,仅仅是纸上谈兵而已。
至此,我们可以解答本文开始时的问题了:标准模型所预言的基本粒子共有61种,其中60种已得到证实,只有“上帝粒子”希格斯玻色子还有待证实,但我们已看到了被证实的曙光。本文最初的三种描述中,第二种描述是正确的,第三种表述中“混入”了引力子,而最流行的第一种描述最错误,基本粒子的总数错了,已被证实的粒子数量也错了。
这个事例告诉笔者,我们国人在普遍意义上缺乏科学精神(至于什么是科学精神,笔者也许日后会另文论述,这里略去不谈),导致各类资料中错误不少,对于对事实真相有“洁癖”的读者来说(笔者恐怕算其中之一吧),必须要保持清晰的头脑,不必怀疑一切,也切忌人云亦云。