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物質粒子:夸克、輕子與反物質

認識構成一切的費米子:自由漫遊的輕子、永遠鎖在強子內的夸克,以及它們每一個都帶著的反物質雙生子。

輕子:自由的一族

輕子是不理會強力的費米子。其中三個帶電荷 $-1$:熟悉的電子、緲子(μ 子,約重 200 倍)與 τ 子(更重)。每一個都與一個電中性的微中子配對。緲子與 τ 子並不穩定,會在微秒或更短的時間內衰變,這正是日常世界只由電子構成的原因。

微中子幾乎什麼都不是:不帶電荷、質量小到長期被認為是零,且只透過微弱的弱力交互作用。每秒有數以兆計的微中子穿過你的指甲,幾乎全部直接穿透地球。光是能偵測到它們,就已是了不起的實驗成就。

夸克:被禁閉的一族

六個夸克是最奇特的基本粒子,因為它們帶分數電荷。上型夸克(上、魅、頂)帶 +\tfrac23;下型夸克(下、奇、底)帶 -\tfrac13

q_{u,c,t} = +\tfrac{2}{3}\,e \qquad q_{d,s,b} = -\tfrac{1}{3}\,e

夸克的兩個電荷家族,以基本電荷 e 為單位。

夸克帶有輕子所沒有的東西:色荷,那是強力的來源,共有三種(標記為紅、綠、藍——只是命名,並非真的顏色)。色荷正是夸克結合得如此猛烈的原因,也是——如我們將見——它們永遠無法被拉開的原因。

組成強子:禁閉

物質費米子依世代排列,六個夸克(感受強力)與六個輕子(不感受強力)分置兩側,力玻色子則列於一旁。

由於色荷,自由夸克從不被觀測到。只有色中性的組合能單獨存在——此事實稱為禁閉。這些複合物就是強子重子由三個夸克組成(每色各一),介子由一個夸克與一個反夸克組成(色加上反色)。

質子與中子就是構成你的重子。質子是 uud、中子是 udd——而它們的電荷,正是把夸克電荷相加得來的,這是對整幅圖像一個漂亮的一致性檢驗。

p=uud:\; \tfrac{2}{3}+\tfrac{2}{3}-\tfrac{1}{3}=+1 \qquad n=udd:\; \tfrac{2}{3}-\tfrac{1}{3}-\tfrac{1}{3}=0

質子與中子的電荷,由其夸克組成建構而來。

反物質與費米子的規則

每個費米子都有一個反粒子,質量與自旋相同,但電荷與量子數相反。狄拉克從他的方程式預測了正子——電子的反粒子——比它被發現早了數年。當粒子遇上它的反粒子,兩者可以互相湮滅,把合起來的質量完全轉化為能量。

身為費米子,物質粒子遵守庖立不相容原理:沒有兩個全同費米子能佔據同一量子態。單憑這條規則,就把電子疊入原子殼層、賦予化學結構,並支撐白矮星與中子星對抗重力。相對地,力玻色子樂於擠進同一個態——這正是雷射得以實現的原因。