基本粒子

基本粒子 (Elementary Particle)
臺南市私立光華女子高級中學物理科楊盛智老師/國立臺灣師範大學物理系蔡志申教授責任編輯

宇宙的起源一直是天文學中想要探討的問題，而要瞭解宇宙更早期的情況，就必須研究「基本粒子」（物質組成的最基本單位，稱為基本粒子），例如原子是由電子以及原子核所組成的，而原子核是由質子與中子所組成的，質子與中子又分別是由三個夸克 (quark) 以不同的方式組成（質子：兩個上夸克和一個下夸克；中子：一個上夸克和兩個下夸克）。其中電子與夸克是基本粒子，質子和中子則不是。除了電子與夸克之外，還有許多基本粒子，共同組成宇宙中所有已知的物質。

將基本粒子繪出簡圖如下：

各種基本粒子都帶有很明顯的自旋 (Spin) 數。根據量子力學，任何粒子（不限於基本粒子）的自旋角動量必須量子化，且量子化後必須是1/2的整數倍（包括零），而自旋為1/2的奇數倍的粒子又稱為費米子（Fermion），自旋為1/2的偶數倍的粒子又稱為玻色子（Boson）。這兩種粒子的主要分別，在於同一類費米子（例如電子）的每一個粒子都具有不同的能態，而玻色子則無此限制。換句話說，當一個費米子佔住了一個能態後，就排斥其他同類的費米子佔同一能態。這一種現象，在物理中稱為「不相容原理」(Exclusion principle)。

1、費米子分為兩類：夸克和輕子。

（1）夸克共有6種，及各自的反粒子，這6種夸克又可分為3「代」。依序是：

第一代：u（上夸克）、d（下夸克）；
第二代：s（奇夸克）、c（魅夸克）；
第三代：b（底夸克）、t（頂夸克）

（2）輕子：比質子輕的費米子稱為輕子（Lepton），共存在6種輕子和他們各自的反粒子。

其中3種是電子和與它性質相似的 μ 子和 τ 子。
而這三種各有一個相伴的微中子。他們也可以分為三代：

第一代：電子（Electron，e ^–）；電微中子（ν_e）
第二代：緲子（Muon，μ ^–）；緲微中子（ν_μ）
第三代：陶子（Tauon，τ ^–）；陶微中子（ν_τ）

2、玻色子分為兩類：規範玻色子及希格斯粒子，這是一類在粒子之間起媒介作用、傳遞相互作用的粒子，並不遵守「不相容原理」。

（1）規範玻色子：自然界一共存在四種基本交互作用力，因此也可以把這些玻色子分成四類：

a）萬有引力：引力子 (graviton)
b）電磁作用力：光子 (photon)
c）弱作用力：W 及 Z 玻色子，共有3種：W ⁺ 、W ⁻ 、Z⁰
d）強作用力：膠子 (gluon)

（2）希格斯粒子 (Higgs) 尚未在加速器上產生出來【註1】，物理學家們認為希格斯粒子與其他粒子的相互作用而使其他粒子具有質量，其相互作用越強質量就越大。

科學家們猜想仍有其他基本粒子存在，但實驗一直未能找到証據，比如星系中有很多暗物質，我們並不知道是什麼，有些科學家就猜想它們是一些作用力很弱但質量非零的粒子，究竟暗物質是否為另一種基本粒子？答案只能期待在更多的觀測及實驗中才有機會找到。

【註1】希格斯粒子本身質量極大，目前的加速器能量還無法達到，而理論的計算也比較困難。物理學家們普遍希望能夠在大型強子對撞器（Large Hadron Collider，簡稱LHC）上產生出希格斯粒子。

參考資料
1.維基百科–基本粒子  http://en.wikipedia.org/wiki/Elementary_Particle
2.Bradley W. Carroll and Dale A. Ostlie（1996），「AN INTRODUCTION TO MODERN ASTROPHYSICS」，Addison-Wesley Publishing Company
3.國立科學工藝博物館  http://www3.nstm.gov.tw/