十个问题带你认识粒子物理学
千年以来，人类一直思索着两个最基本的问题：
世界是由什么构成的？
又是什么把物质紧紧地束缚在一起？
我们之所以不断地在思考着两个问题，是因为答案不仅跟我们息息相关，也是理解塑造宇宙背后的定律的关键。
粒子物理学正是这样一门学科，它研究的是构成万物的基本粒子，以及这些粒子之间是如何相互作用的。在科学史上，粒子物理学的研究涉及了最大、最复杂、最精密的实验。从实际应用的角度来看，粒子物理学也被应用在了方方面面——从固体物理到医学诊断再到分布式计算。
△ 粒子物理学不仅改变了我们对宇宙的认识，同时它也在其它科学领域、教育、生活质量上都做出了重大的贡献。（图片来源：Sandbox Studio, Chicago）
现在，我们通过下面的十个问题，来一场粒子物理学的探索之旅吧！
1. 刚才提到了基本粒子，这边的“基本”有什么特别含义吗？
当我们说“基本粒子”的时候是指不能再由更小的粒子构成的粒子。而基本粒子又分为两类：费米子（Fermion）和玻色子（Boson）。
在日常生活中，我们看见的所有东西，包括我们自己，都是由原子组成的。两千多年前，德谟克利特就提出物质是由不可分割的原子组成的。但是直到1897年，汤姆逊发现了电子后，才提出了第一个现代原子模型。
△ 图1：汤姆逊原子模型：呈圆球状的原子，充斥着正电荷，而带负电荷的电子则像一粒粒葡萄干镶嵌其中。（图片来源：Benjamin）
不久后，实验家试图“窥视”原子的内部结构，并惊奇的发现，原子其实是由极小但是密度较高带正电的原子核和围绕着原子核带负电的电子组成的。
很快，物理学家又发现原子核是由带正电的质子和不带电的中子组成的。然而，这并没有阻止物理学家继续探索更基本的可能性，结果就是他们发现质子和中子其实都是由更小的夸克组成的！
△ 原子的结构：中间的原子核由质子和中子组成，而质子和中子则由更小的夸克构成，围绕着原子核的是电子。（图片来源：CERN）
就目前所知，夸克和轻子（如电子）是最基本的。所有的夸克和轻子都属于基本费米子。所有的粒子都具有自旋（粒子具有的内稟性质，相关但不等同于经典力学的角动量）的性质，费米子的自旋为半整数（1/2、3/2...)，而且都遵守费米-狄拉克统计（在统计力学中用来描述由大量满足泡利不相容原理的费米子组成的系统中，粒子处在不同量子态上的统计规律）。
△ 费米子：左边是三代夸克上(u)、下(d)、粲(c)、奇(s)、底(t)及顶(b)；右边是三代轻子：电子(e)、μ介子和τ介子，以及它们相应的中微子(ν)。（图片来源： Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova）
另一方面，所谓的玻色子，是自旋为整数（0、1、2..)的粒子，并且遵守玻色-爱因斯坦统计（与费米子不一样，玻色子在某一个能级下，可以容纳无限个粒子，因而是符合玻色-爱因斯坦统计分布的粒子）。玻色子包括：光子、W玻色子、Z玻色子、胶子、希格斯玻色子（后面会提到）。这些粒子被称为载力粒子，它们是传递基本力的媒介粒子。每一种玻色子都跟四种基本力的一种有关，比如电磁力是由光子传递的。
△ 图中显示的玻色子有：胶子(g)、希格斯玻色子(H)、W玻色子和光子(γ)。（图片来源： Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova）
简单的说，这些载力粒子就是两个粒子之间的信使。基本力就是通过载力粒子的交换而产生的，这已经得到了实验数据大力的支持。
△ 基本力的产生是通过载力粒子交换而产生的。（图片来源：Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova）
这些基本粒子都是非常非常小的，有多小？如果有兴趣建议阅读：《基本粒子有多少？》。
2. 上面提到了基本力，能不能多解释一点？有时看到文章说基本力，有时又看到说基本相互作用，这两则之间有区别吗？
物理学家经过过去一个世纪的努力，已经搞清楚了自然界中共有四个基本力，所有的力都可以被归纳为这四种基本力。例如，日常生活中我们熟悉的摩擦力、磁力、引力、原子核衰变等等都是由这四种基本力之一所引起的。
△ 四种基本力：引力（Gravity）、电磁力（Electromagnetism）、强核力（Strong）和弱核力（Weak）。（图片来源：One Universe At a Time）
如果按强弱悬殊来排列着四种力的话，它们分别是强核力（将原子核束缚在一起），电磁力（导致指南针指向北方），弱核力（是它太阳才能够为我们提供能量），以及引力（造成苹果落在地上）。它们的媒介粒子分别是胶子、光子、W±/Z玻色子和假想的引力子。（可以进一步阅读《一场基本力之间的较量》，从另一个角度回答哪个基本力最强。）
△ 大统一理论：三种基本力在高能下会统一在一起。（图片来源：CERN）
物理学家的夙愿是统一这四种基本力。在高能下，电磁力和弱核力的确已经被统一成电弱力。一些物理学家认为，在更高的能量下——远远超越了我们目前在实验所能达到的能量——强核力、弱核力和电磁力会统一成一个“大统一”的力。这样的一个理论被称为“大统一理论”（GUT）。
有许多物理学家也经常随意地使用“基本力”和“基本相互作用”。严格来说，力是因为一个粒子的存在影响了另一个粒子；而粒子的相互作用包括了全部影响它的力，也包括了粒子可能经历的衰变和湮灭。因此“相互作用”的用法更加准确。通常你可以随意使用两者，但必须记住它们间的区别。
3. 物理学家用什么工具来探索这些粒子？
为了探索这些粒子，我们面临了两个问题：
我们不能够用光来探索这些粒子的结构，因为光的波长太长了。
如何产生那些物理学家想要研究的大质量的粒子？
为了解决这两个问题，物理学家就需要粒子加速器。
物理学家无法用光来探索这些粒子的结构，因为光的波长太长了。为了看到最小的粒子，物理学家需要波长尽可能小的粒子。但是，在自然界中大多数的粒子都具有相当长的波长。物理学家如何把粒子的波长减少，使粒子可以成为探子呢？我们要记住一个事实：所有的粒子都具有波的性质，即所谓的波粒二象性。由于能量和频率是正比的，能量和波长是反比的。因此当粒子在加速器中被加速到越高的能量时，波长足够小到可以穿进原子内部。
△ 质能等价：E代表能量，m代表质量，c代表光速。
接着我们需要知道爱因斯坦的狭义相对论。该理论最深刻的洞见就是发现了质量和能量之间可以相互转换，物体的运动速度越接近光速，它的质量就变的越大。结果就是，在加速器中的粒子被加速到越接近光速，它们获得的能量就越高。如此就可以创造出很多不稳定的大质量粒子，进而研究它们的性质。
4. 目前世界上最大的粒子加速器是哪个？在加速器中要怎么探测各种各样的粒子？
欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）是世界上最强大的粒子加速器。它将两束质子加速至非常高的能量，绕着周长27公里的环形轨道不断加速，并将它们进行对撞。对撞并不是发生在任意的地方，而是固定的对撞点，它们被探测器包围着。
△ 大型强子对撞机LHC。（图片来源：Wikipedia）
最出名、最大的两个粒子探测器是ATLAS和CMS。除了这两个，还有LHCb、ALICE、TOTEM、MoEAL和LHCF。它们都肩负着不同的使命在寻找、研究不同的粒子。
一个典型的现代探测器包括了四个主要部件：追踪室（Tracking）、电磁热量计（E-M Calorimeter）、重子热量计（Hadron Calorimeter）和介子室（Muon Chambers）。每一个部件都负责探测不同的粒子，比如下图：
△ ATLAS探测器。（图片来源：ATLAS）
上图中的虚线表示探测器探测不到的粒子，比如中微子（Neutrino），因为中微子基本不与粒子作用。我们只能由缺少的物质或能量来推论中微子的存在。
注意事项：
带电粒子，比如电子（Electron）和质子（Proton），只能在追踪室和电磁热量计中被探测到。
在追踪室中，我们无法探测到中性粒子，比如中子（Neutron）和光子（Photon）。只有当他们与探测器作用时，我们才能察觉到它们的存在。借由电磁热量计可以探测光子，而中子可由其在强子热量计观测到。
每一种粒子在探测器中都有其独特的行为。比如，如果物理学家只有在电磁热量计中才探测到某个粒子，那探测到的粒子一定是光子。
5. 还有其它类型的加速器吗？
LHC是环形加速器，美国的相对论重离子对撞机（RHIC）也是另一个比较有名的。
△ 三种不同的粒子加速器：同步加速器，回旋加速器和直线加速器。（图片来源： Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova）
但除了环形加速器，还有其它种类的加速器，比如直线加速器。中国、日本都有计划建设下一代的加速器，详情可阅读《一场科学“对撞”背后的物理》。
6. 还有其它研究粒子的方法吗？
当然，除了在加速器自己去创造粒子，还有许多的粒子来自外太空的天文现象，比如爆炸中的恒星或黑洞等等。例如，太阳除了辐射出光以外，还辐射了大量的中微子。世界上有许多大型的实验都在捕捉中微子，但中微子跟物质的作用非常微弱，因此极难被探测到，对中微子的研究或许是通往“新物理”（见问10）的突破点。
△ 中国大亚湾核反应堆中微子实验。该实验团队因探测到了中微子振荡而获得了2016年度国家自然科学奖。（图片来源：Wikipedia）
关于如何探测中微子可进一步阅读《在魔幻般的世界，寻找幽灵般的粒子》。
7. 我想知道描述这些粒子背后的理论是什么样的？
到目前为止，你看到的都是一些基本粒子，它们都很容易记住。这些基本粒子又可以组成许多的复合粒子，比如中子和质子以及上百种其它的粒子。
而描述这些粒子以及它们之间的相互作用的理论叫做粒子物理学的标准模型。通常提到标准模型，你会看到类似一张这样的图：
△ 标准模型：包含了六个夸克、六个轻子、以及玻色子。（图片来源：CERN）
标准模型包含了三个群：SU(3)、SU(2)和U(1)。每个群都代表一个规范相互作用。强相互作用的规范群是SU(3)，而电弱作用的规范群是SU(2)×U(1)。所以标准模型也被称为SU(3) × SU(2) × U(1)。而标准模型背后的数学公式看起来是这样的：
△ 标准模型的拉格朗日量L等于这个方程.......（图片来源： T.D. Gutierrez）
如果想进一步了解该方程可阅读《简洁又美丽的标准模型方程》。
（注：很多人可能会对群论的概念会比较陌生，未来将在《万有理论》系列文章中的《大统一理论》中详细介绍。）
8. 2012年的时候，科学家在LHC找到了希格斯玻色子，究竟什么是希格斯玻色子？玻色子意味着它是一种力吗？
在1960年代，标准模型慢慢地被拼凑在一起，然而理论物理学家却发现他们无法解释为什么基本粒子会有不同的质量。
1964年，三个不同小组（包括： Higgs, Brout, Englert, Guralnik, Hagen, 和 Kibble）分别提出一个解决方案，只要引进一个新的场就可以解决问题了。虽然是六个人一起发现的，但通常只被称为希格斯场。而跟希格斯场相联系的粒子就是自旋为零的希格斯玻色子。下面我们通过三幅漫画了解基本粒子是如何通过希格斯场获得质量的：
（图片来源：CERN）
一群物理学家聚在一个鸡尾酒派对中，他们安静的谈话着，就好比空间充满了希格斯场。
（图片来源：CERN）
在某个时刻，爱因斯坦突然走进了派对之中，当他穿过人群的时候造成了小骚动，他的仰慕者纷纷向他靠拢。
（图片来源：CERN）
在走进房间之前，爱因斯坦可以自由的移动。但是当他走进一个满是物理学家的派对时，他的移动速度变慢了，仰慕者使他难以行动。换句话说，他获得了质量。这就好比是无质量的粒子通过跟希格斯场作用而获得质量。
另外，我们在前面的问题中提到了，每个玻色子都跟基本力有关系。那希格斯玻色子是否暗示着存在一种新的力？这是个很值得探讨的问题。
一个场要产生一个力需要满足三个条件：场必须可以开和关；它必须有一个偏好的方向；它也必须可以吸引或排斥。
通常希格斯场不满足前两个——它总是开的，没有偏好的方向。但是由于希格斯玻色子的存在，场会被干扰，理论上允许产生力。姑且称之为希格斯力吧。
但是这个力在宇宙中扮演什么样的角色仍然还是个谜题。我们知道希格斯场对于产生稳定物质是必须的。但就目前所知，希格斯力并不一定。
希格斯力可能对于暗物质的存在，或物质与反物质不对称非常重要。我们还不清楚细节，2012年首次发现希格斯玻色子仅仅只是个开始，因此目前LHC的主要目标之一就是发现更多希格斯玻色子，更加深入的研究它们的性质。
9. 粒子物理学的标准模型还有那些未回答的问题？
有很多，例如：
什么是暗物质？（可阅读《探索宇宙的黑暗面》）
等级问题：为什么引力比其它的基本力弱很多？
寻找无中微子双β衰变：中微子是自己的反粒子吗？
强-CP问题：为什么只有弱核力违反宇称守恒，而跟它相似的强核力却不违反？
重子不对称：理论上，在宇宙大爆炸的时候应该产生同样多的物质和反物质，但为什么今天我们看到的宇宙主要是由物质构成？（可阅读《为什么我们都是由物质组成？而不是反物质？》）
质子会衰变吗？
等等。
（注：有一些未解之谜已经或将会在《万有理论》系列文章中详细讨论。）
10. 经常看到文章说“新物理”是指什么？
“新物理”通常是指超越标准模型的理论，这些理论除了要复制标准模型的成功，还必须解释标准模型不能回答的问题。这样的理论有许多。其中一个最受推崇的是超对称理论。超对称除了能够解释许多问题（比如暗物质和等级问题），物理学家认为它能够被LHC验证（详见《超对称的崛起和衰落》）。
除了那些未被验证的新理论，有一部分物理学家把希望寄予中微子的身上。在标准模型中，中微子是没有质量的。然而，在实验中我们发现中微子具有非常小的质量，这是目前发现的唯一有坚实实验证据超出标准模型的现象。
文章来源：原理
最后，预告一场精彩的报告：
报告题目：粒子物理学的成就与挑战
报告人：罗民兴 中国科学院院士 浙江大学
时间：2018年3月30日16:00-18:00
地点：近代物理所6号楼学术厅
欢迎大家参加！