基本粒子内部结构模型图解.doc

精品文档基本粒子夸克电子质子中子内部结构模型图解 作者: 张嘉年 tai_摘要： 在粒子物理学中，基本粒子是组成物质的最基本的单位。但根据超弦理论,基本粒子实为弦的不同振动及形状所组成,而弦内部的最终结构为带正负电(磁)荷的“正负-弦位元”(见本文所有的粒子内部结构模型图)。现今在标准模型理论的架构下，已知的基本粒子可以分为组成物质的费米子（包含夸克和轻子）以及传递力的玻色子（包含规范玻色子和希格斯玻色子）。现今最新的超对称理论可以统一费米子及玻色子,即在高维空间下二者可互为转换(但因至今高维空间及超对称粒子,尚未发现,故本文暂不讨论)。而在GUT大统一理论下费米子中的夸克和轻子也是可以统一互为转换的(图一)。我们日常生活中的物质是由最大的费米子-原子所组成,原子由电子和原子核所组成,原子核又由质子(含2个上夸克、1个下夸克)和中子(含2个下夸克、1个上夸克)所组成(图二)。传递力的（规范)玻色子有四种:1传递电磁力的光子(图三)、2传递引(重)力的引(重)力子(图四)、3传递核强力的胶子(图五)、4传递核弱力的弱玻色子(图六),最后还有一种赋予所有粒子质量的希格斯玻色子(图七)。物质宇宙就是由上述这些物质性的费米子以及传递力的玻色子所构成。关键词：基本粒子 超弦理论 标准模型 超对称 费米子 玻色子 规范玻色子 希格斯玻色子 夸克 轻子 费米-狄拉克统计 玻色-爱因斯坦统计 自旋量子数 禁闭态 束缚态 包利不兼容原理 希格斯机制 希格斯场一.两种费米子:强子(夸克)、轻子(中微子、电子)内部结构模型解析我们的宇宙由两大类粒子所组成,即构成物质的费米子和在费米子间传递作用力的玻色子(玻色子在主文三解析)。而费米子又可分为由夸克组成的强子及由电子,中微子组成的轻子两大类。所谓强子就是所有只参与宇宙四大作用力(强作用力,弱作用力,电磁力,引力)中的强作用力的粒子总称。强作用力是只作用于原子核内部的力,其范围只有1012至1016公分,是一种禁闭态的束缚力。但轻子确相反,是一类只参与弱力、电磁力和引力，而不参与强作用力的粒子的总称。其范围自1016公分(弱力范围)扩散至全宇审(电磁力和引力范围),是一种自由态的扩散力。 包含夸克及轻子的费米子,其定义如下:费米子(fermion)指按费米-狄拉克统计:角动量的自旋量子数为1/2, 3/2, 5/2, 7/2等为半奇数的粒子,并且服从包利不兼容原理（Pauli exclusion principle）,即2个以上费米子不能处于相同量子态,亦即不能占据同一空间,但玻色子却可以。 夸克族及轻子族彼此间可互为转换(衰变),其互为转换(衰变)模式如下图所示:夸克和轻子(中微子、电子)互为转换-内部结构模型图(图一) 图中号代表不可分割的正负电(磁)荷最基本单位元,称为:弦位元(比特)上图注解: 1.微中子是自由态(扩散态)的上夸克, 反之,上夸克是禁闭态(束缚态)的微中子。 2.电子是自由态(扩散态)的下夸克, 反之, 下夸克是禁闭态(束缚态)的电子。 3.轻子(中微子、电子)是相位扩张态的强子(夸克),故能远距传播。 4.强子(夸克)是相位收缩态的轻子(微中子,电子),故禁闭在10-16cm的空间内。 5.微中子与反微中子的内部中心为相连的零点能真空场(正,负弦位元电荷相抵=0), 但极化为阴阳二极,故自旋相反,而外圈为闭弦态引(重)力子,故呈电中性,且能远距传播。2. 中子、质子及介子内部结构模型分析(一).强子的分类及其中电荷分布关系 强子类-分为以胶子连结三个夸克所组成之重子族(含质子、中子、超子 比中子,质子还重之重子)及以胶子连结二个夸克所组成之介子族(p介子、各 种重介子)。 强子类中的重子家族(中子,质子,超子)中,每个重子含:3个夸克,每个夸克又含:4 条希格斯玻色子,因此每个重子共含:12条希格斯玻色子.以中子,质子为例,其内部 电荷结构分析如下:1.中子含1个上夸克-4条阳希格斯玻色子,2个下夸克含-4条阴希格斯玻色子及4条中性希格斯玻色子,正负电荷相抵=0故中子为电中性. 而1个下夸克的2条阴希格斯玻色子与1个上夸克的4条阳希格斯玻色子的总合比例为:1/3比2/3,故下夸克的电荷为1/3,而上夸克的电荷为2/3(号仅代表相反电荷,并非负的电荷或负的能量)2.质子含2个上夸克共-8条阳希格斯玻色子,1个下夸克-2条阴希格斯玻色子,2条中性希格斯玻色子,正负电荷相抵后剩6条阳希格斯玻色子,正好占-总数12条希格斯玻色子的一半(物理规律-正负电荷分配各占一半),故而质子带正电荷.【至于-反中子与反质子则与上同理,只是电荷相反为:反上夸克电荷为2/3,反下夸克电荷为1/3,可按上图自行比对,故不再赘述】 3.所谓的3色夸克,绝非指颜色有3种,而是指排列的相位有3种:每个夸克内的4条希格斯玻色子共有8条分弦,按排列的相位不同而分为3色:(1),上夸克8条分弦的端点为同电荷且多数电荷同朝内,下夸克为多数电荷同朝外,如此相位排列为第一色(参考蓝夸克).(2),上夸克8条分弦的端点为同电荷且多数电荷同朝外,下夸克为多数电荷同朝内,如此相位排列为第二色(参考红夸克).(3),上下夸克8条分弦的端点为相反电荷,而相对的位置-4条分弦朝内,4条分弦朝外,如此相位排列则为第三色(参考绿夸克).因为在超高温或超低温时,正(阳)负(阴)弦,粒子,会有不同的相引或相斥运动,如此相位排列,才可使弦,粒子有效的转动,组合,分裂.中子、质子及介子-内部结构模型图(图二) (二).中子、质子内部的质量分布关系 中子为以三条胶子连结1个上价夸克(价夸克为强子中最外或上层的夸克, 其下尚叠加三代海夸克,这与原子中最外层之价电子一様)及2个下价夸克所组成之 重子,而质子为以三条胶子连结2个上价夸克及1个下价夸克所组成之 重子。 宇宙中包括费米子及玻色子(光子、引力子、胶子除外)的所有粒子质量均来源于希格斯场,因希格斯场外围叠加负能量(负质量)场(图七),负能量场(负质量)也就是爱因斯坦广义相对中的宇宙学常数,负能量(负质量)能抵消及分散夸克的能量(质量),故下价夸克能量仅7MeV,而上价夸克能量仅5MeV,而3个价夸克组成的中子,质子之能量竟然为939.6MeV及938.3eV,但3个夸克加起来能量最多也只有21MeV. 若是没有负能量场吸收(正)能量,则上述事实将完全矛盾无解,这又称为反遮蔽效应.一个重子之内叠加了众多的海夸克(见下表),但反遮蔽效应的范围仅在1016cm之内,大于此范围,能量就会渐渐显现出来,因此直径为1013cm的中子,质子就显现出相对的大能量(质量),故而我们所侦测到的3个价夸克实际上仅是能量及电荷经正负相抵后的微量差额-显现,这就像浮出海面的小岛,从空中看来是个小岛,但从深海底来看,却是连接地球(地球好比希格斯场)的巨山。中子、质子及介子内部结构模型表(表一)纵 向 叠 加 横向连结 n中子 (核子) 超子 (p)介子p质子 (核子) 超子横向连结纵向叠加笫一族d下夸克 1(价夸克)=e-电子笫三族d下夸克 15(价夸克)=e-电子 笫三族 d-反下夸克 =4条胶子= =e+正电 23笫三族d下夸克 49(价夸克) =e-电子u-反上夸克 2（海夸克） =v-反微中子d-反下夸克16（海夸克） =e+正电子d下夸克 =4条胶子=e-电子24 d-反下夸克50（海夸克）=e+正电子笫一族 3u上夸克 (价海) 笫二族 u上夸克 9(价夸克)d下夸克 17（海夸克） d-反下夸克 25(价夸克) 笫一族u-反上夸克 31(价夸克)笫一族u上夸克37(价夸克)笫二族u上夸克43(价夸克)d下夸克51（海夸克）d-反下夸克4（海夸克）d-反下夸克10（海夸克）u-反上夸克18（海夸克） u上夸克26（海夸克）d下夸克32（海夸克）d-反下夸克38（海夸克）d-反下夸克44（海夸克）u-反上夸克52（海夸克）s奇夸克5（海夸克）s奇夸克11（海夸克）c粲夸克19（海夸克）c-反粲夸克 27（海夸克） s-反奇夸克33（海夸克）s奇夸克39（海夸克）s奇夸克45（海夸克）c粲夸克53（海夸克）c-反粲夸克6（海夸克）c-反粲夸克12（海夸克）s-反奇夸克20（海夸克）s奇夸克28（海夸克） c粲夸克34（海夸克）c-反粲夸克40（海夸克）c-反粲夸克46（海夸克）s-反奇夸克54（海夸克）t顶夸克7（海夸克）t顶夸克13（海夸克）b底夸克21（海夸克）b-反底夸克 29（海夸克）t-反顶夸克35（海夸克）t顶夸克41（海夸克）t顶夸克47（海夸克）b底夸克55（海夸克）t-反顶夸克8（海夸克）b-反底夸克 14（海夸克）t-反顶夸克22（海夸克）t顶夸克30（海夸克）t顶夸克36（海夸克）t-反顶夸克42（海夸克）b-反底夸克48（海夸克）t-反顶夸克56（海夸克） 海夸 克底 (负能量真真空埸)-希格斯埸-正能量假真空埸-(负能量真真空埸) 海夸 克底三.五种玻色子内部结构模型图解析 玻色子(boson)指按玻色-爱因斯坦统计，角动量的自旋量子数为0，1，2.等为整数的粒子。玻色子不服从泡利不兼容原理，即多个玻色子可以同时占有同样量子态(即可以同时占有同一空间),即在低温时可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。 玻色子可再分为二类: (一).规范玻色子,有4种 1.光子-电磁相互作用的媒介粒子，自旋为1，只有1种(图三)。 2.引力子-引力相互作用的媒介粒子，自旋为2，只有1种，尚未被发现(图四)。 3.胶子-强相互作用的媒介粒子，自旋为1，有8种(图五)。 4.W 及 Z 玻色子-弱相互作用的媒介粒子，自旋为1，有3种(图六)。 (二).希格斯玻色子-通过希格斯机制将质量给予其它粒子，自旋为0，可能有五种 但目前只发现1种(图七)。 以下即五种玻色子内部结构模型图解析: 传递电磁力的光子-内部结构模型图(图三)传递引(重)力的引(重)力子-内部结构模型图(图四)传递核强力的胶子-内部结构模型图(图五)传递核弱力的玻色子-内部结构模型图(图六) 赋与粒子质量的希格斯场-内部结构模型图(图七)宇宙中所有粒子在网状希格斯场中运动产生的阻力即成为粒子的质量(同为开弦态之光子;胶子及超微小之引(重)力子不受该场影响,质量仍为零)结论: 现今在描述所有基本粒子的标准模型理论架构下，宇宙中有两大类粒子:即1. 组成物质的费米子（包含夸克和轻子）以及2. 传递力的玻色子（包含规范玻色子和希格斯玻色子）共有62种,其中包括:(一).强子:六味(即三代夸克),三色(红绿蓝),正反夸克,共36种(6 32=36);(二).轻子:正反六种(即三代电子和中微子)轻子,共12种(26 =12);(三).规范玻色子:八种胶子;三种弱玻色子(W+W+及Z0);一种光子;一种引力子(尚未发现), 共13种(8311=13);(4) .希格斯玻色子(刚发现了1种,可能有五种)。 这62种基本粒子中,可统一费米子及玻色子的超对称理论,因至今高维空间及超对称粒子,尚未发现,故暂不讨论。但在GUT大统一理论下及在无数超大型加速器中,强子与轻子对撞的实验结果证明: 强子(夸克) 与 轻子(电子、中微子)是可以互为转换的(图一),其转换模式如下： 中微子互为转换上型夸克 电子互为转换下型夸克 反中微子互为转换反上型夸克 正电子互为转换反下型夸克。 另外基本粒子并不基本,而是由弦的不同振动及形状所组成,其中弦的基本单元是弦位元,故而弦位元就是基本粒子内的DNA。参考文献:宇宙的琴弦(The Elegant universe) Brian Greene 著大宇之形(The Shape of inner Space)丘成桐和Steve Nadis合著胡桃里的宇宙(The universe in a Nutshell) 史蒂芬.霍金 (Stephen Hawking)著时间简史系列(A Brief History Of Time)史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)著最初三分钟(The First Three Minutes)Steven Weinberg著宇宙的结构(The Fabric of the Cosmos) Brian Greene著平行宇宙(Paralell World)加来道雄(Michio Kaku)著穿梭超时空(A Scientific Odyssey Through Parallel Universe) 加来道雄(Michio Kaku)著宇宙的创生 方励之著质运动与时空结构(Motiom of Matter and space Time) 范勇著 物理学和天体物理学中的若干重要问题Ginzburg著上帝粒子(The God Particle)Leon Lederman著从夸克到宇宙(From Quarks to the Cosmos) Leo