粒子物理學

**粒子物理**（*particle physics*，又叫**高能物理**）係一門研究組成物質同輻射嘅最基本粒子，仲有佢哋之間嘅基本作用力嘅學科。除咗睇最細粒嘅基本粒子之外，仲會研究直到質子、中子嗰個層面嘅組合；至於質子、中子再組合成原子核嗰啲，就屬於核子物理範圍喇。

喺而家嘅標準模型入面，宇宙最細粒嘅粒子分做費米子（即「物質粒子」）同玻色子（即「作用力載子」）。費米子有三代，不過我哋日常見到嘅普通物質淨係用第一代：上夸克同下夸克（湊成質子、中子）加埋電子同電子中微子。至於基本作用力，就有電磁力、弱作用力同強作用力，都係由玻色子「揹手榴彈」咁傳遞嘅。

夸克唔會單丁存在，一定要夾埋變做強子。如果入面有奇數隻夸克，就叫重子；偶數隻就叫介子。兩隻重子——質子同中子——就佔咗普通物質大部分質量。介子就好唔穩定，最長命嗰啲都係得幾百分之一個微秒，通常係喺宇宙線入面嘅高速質子撞到嘢、或者係粒子加速器撞擊時先至見到。

每隻粒子都有對應嘅反粒子，質量一樣、不過電荷相反。好似電子嘅反粒子就係正電子。理論上，佢哋可以組成反物質。有啲粒子（例如光子）就係自己嘅反粒子。

所有基本粒子都係量子場入面嘅「起伏」，佢哋點互動、點郁就基本上由標準模型描述晒。不過點將重力同而家呢套理論拉埋一齊，就仲未解決，所以就有弦論、圈量子重力、超對稱等等理論去試吓。

做實驗嗰邊，科學家會研究放射性衰變同埋喺大嘅粒子加速器（例如大型強子對撞機）入面撞粒子；理論嗰邊就會喺量子力學同宇宙學框架下諗嘢。兩邊係互相拉扯：好似希格斯玻色子，就係理論計到，之後實驗先撞到。

## 歷史

「萬物最細粒係由基本粒子組成」呢個概念，最早可以追溯到公元前六世紀。  
去到十九世紀，約翰·道爾頓研究化合比，就提出「每種元素都由獨一無二嘅細粒（原子）組成」。  
不過二十世紀初開始，大家發現原子仲可以再拆——有電子、原子核，原子核入面又有質子、中子，再到後來嘅夸克。  
五、六十年代高能實驗一度撞出成個「粒子動物園」，條數多到嚇人；到七十年代標準模型成形，先至將大量粒子歸納成少數基本粒子嘅組合，正式開咗現代粒子物理嘅大門。

## 標準模型

標準模型用八隻膠子、光子、同W同Z玻色子去講強、弱、電磁三種作用力。再加埋二十四隻基本費米子同埋一隻希格斯玻色子（2012年喺CERN撞到），一共 61 隻基本粒子，就可以解釋依家幾乎所有實驗結果。  
但係大家都覺得呢套仲未算最終答案，例如中微子有質量、暗物質、暗能量都未包到，所以仲有好多理論話以後一定仲有新物理。

## 基本粒子一覽

現代嘅粒子物理研究，焦點就係亞原子粒子——包括原子入面嗰啲基本件，好似電子、質子、中子（質子同中子其實係由夸克砌成，屬於重子）——同埋喺放射性衰變或者散射過程度整出嚟嘅粒子，例如光子、中微子、緲子，仲有一大堆奇特粒子。 而家觀測到嘅粒子同佢哋嘅互動，幾乎全部都畀標準模型解釋晒。

粒子點郁、點互動，仲要聽量子力學話事：佢哋有波粒二象性，有時似粒子、有時似波。技術啲講，就係用希爾伯特空間入面嘅量子態向量去描述，量子場論都係用同一套數學。照粒子物理學家嘅慣例，*[[基本粒子]]*係指依家認為冇得再拆，更細都拆唔到嗰啲粒子。

### 夸克同輕子

日常物質基本上全部由第一代粒子砌成：上、下夸克，加電子同電子中微子。 夸克加輕子一齊叫做費米子，因為佢哋嘅自旋係半整數（…−½、½、1½…），所以要守鮑利不相容原理——兩粒費米子唔可以擠喺同一個量子態度。

夸克帶電荷係分數（−1/3 或 2/3），輕子就係 0 或 −1。 另外，夸克仲有叫做色荷嘅性質，隨便標做紅、綠、藍三隻色，唔係真係顏色。 夸克如果拉到好遠，連接佢哋嘅能量會變粒子，所以夸克唔會單獨出現——呢個叫色禁閉。

依家肯定有三代夸克（上／下、奇／粲、頂／底)同三代輕子（電子同佢嘅中微子、緲子同佢嘅中微子、陶子同佢嘅中微子），而現有實驗數據亦顯示唔似再有第四代。

### 玻色子

「玻色子」係負責傳遞基本作用力嗰班「中間人」，例如電磁力、弱作用力同強作用力。
* 電磁力就靠光子——即係光嘅量子——幫手傳遞。  
* 弱作用力就係由W 同 Z 玻色子揹旗。  
* 強作用力就靠膠子，將夸克「黐笠笠」咁連住成強子。不過因為色禁閉，膠子同夸克一樣，單丁係搵唔到嘅。

另外，希格斯玻色子就透過希格斯機制畀質量俾 W 同 Z 玻色子；至於膠子同光子，本身就預期係冇質量嘅粒子。
全部玻色子嘅自旋都係整數（0、1 咁落去），所以佢哋可以無限量咁堆埋同一個量子態都得。

### 反粒子同色荷

頭先提過嘅絕大部分粒子，都有一粒「鏡面」版嘅反粒子，合起嚟就叫反物質。普通粒子有正嘅輕子數或者重子數，反粒子就負嘅。  
性質方面大致一樣，只係有啲數值會對調──好似電子帶負電，佢個反粒子正電子就帶正電。書寫上，正負號會寫做上標；如果粒子本身冇電荷，就用「上橫」顯示反粒子，例子有  同 。當粒子撞埋佢嘅反粒子，就會湮滅，變做其他粒子或者光。

夸克同膠子仲有一樣特別嘢叫色荷，影響強作用力。夸克分紅、綠、藍三隻色；反夸克就係反紅、反綠、反藍。 膠子就組合成八種色荷，係由夸克互動嘅SU(3)對稱搞出嚟嘅。

### 複合粒子

中子同質子——即係原子核入面嗰兩位主角——都係重子：  
* 中子：兩隻下夸克 + 一隻上夸克；  
* 質子：兩隻上夸克 + 一隻下夸克。

重子係三夸克組合；介子就係一夸克配一反夸克。重子加介子，統稱強子。夸克喺強子入面受量子色動力學支配，必須湊到色荷中和（俗稱「白色」）。  
另外，科學家都搵到啲「另類強子」——四夸克、五夸克之類——證明組合方式仲有好多花款。

一粒原子就係質子、中子、電子三者夾埋；如果調換入面啲粒子，仲可以造出奇異原子。 例如氫-4.1就係用緲子取代咗其中一粒電子嘅例子。

### 假設粒子
引力子（*graviton*）理論上可以傳遞重力，但至今都未搵到；同時，引力點樣同而家嘅粒子理論夾口供，依舊係未解嘅大難題。  
為咗補標準模型嘅不足，物理學家仲提議咗好多其他假設粒子：  
* 超對稱嘅粒子（*superpartners*）用嚟解決階層問題；  
* 軸子（*axion*）應付強 CP 問題；  
* 仲有一堆粒子用嚟解釋暗物質同暗能量來源等等。  

## 實驗室

全球做粒子物理嘅主要實驗室有：
* 布魯克黑文國家實驗室（紐約州Long Island，美國）— 佢最勁嘅裝置係「相對論性重離子對撞機」（RHIC），專門撞重離子（例如金離子）同極化質子，係全球第一部重離子對撞機，亦係至今唯一撞極化質子嘅對撞機。
* 布德克核物理研究所（Novosibirsk，俄羅斯）— 而家主力運行電子—正電子對撞機 VEPP-2000 同 VEPP-4；早年搞過第一部電子—電子對撞機 VEP-1（1964–68）同 VEPP-2／VEPP-2M。
*  CERN（法瑞邊境近日內瓦）— 旗艦係「大型強子對撞機」（LHC），2008-09-10 第一次出束，而家係全球能量最高嘅質子同重離子對撞機。之前嘅「大型電子—正電子對撞機」（LEP）2000 年退役畀路 LHC；「超質子同步加速器」（SPS）而家做 LHC 預加速器同定靶實驗。
* DESY（Hamburg，德國）— 以前主打「強子—電子環型加速器」（HERA），而家集中做同步輻射：PETRA III、FLASH 同 European XFEL。
* 費米國家加速器實驗室（伊利諾州Batavia，美國）— 2011 年前主力「梯瓦崇對撞機」，曾經係地球上能量最高嘅質子-反質子對撞機，直到 2009 年畀 LHC 超車。
* 中國高能所（北京）— 管理 北京電子—正電子對撞機 II、大亞灣反應堆中微子實驗、中國散裂中子源、江門地下中微子觀測站（JUNO）等大型裝置。
* 高能加速器研究機構（筑波）— 做過 K2K、T2K 兩個中微子振盪實驗，仲有而家嘅 Belle II 實驗，量度 B 介子 嘅 CP 違反。
* 史丹福線性加速器中心（加州Menlo Park）— 兩英里長嘅線性加速器 1962 年開波，2008 年收爐；而家變做 線性相干光源（LCLS）X 射線激光同先進加速器研發。

## 理論

理論粒子物理有幾條大方向：

* 搞清楚標準模型：透過計對撞機同天文數據，精準抽標準模型參數，搵佢盲點。因為 QCD 又複雜又難算，現象學家多用微擾論／有效場論；做格點場論嗰班就叫格點理論家。
* 超越標準模型：為咗搞掂階層問題等難題，諗如超對稱、額外維度（如 Randall–Sundrum 模型）、前子理論、甚至「消失維度」等等。
* 弦論：試圖統一量子力學同廣義相對論，用細弦／膜代替粒子，目標係「萬有理論」。

另外仲有粒子宇宙學、環圈量子重力等分支。

## 應用
* 粒子加速器生產醫用／科研用放射性同位素（例如 PET）。
* 外照射放射治療直接用加速器射束殺腫瘤。
* 超導體技術因撞機需求而加速發展。
* 萬維網同觸控屏最早都係喺 CERN 搞出嚟。

## 未來
搵「超越標準模型」物理嘅大計包括：
* 未來環形對撞機（FCC，CERN 提議）
* 美國嘅 粒子物理項目優先小組（P5）更新，重點有 深地下中微子實驗（DUNE）等

## 睇埋

## 參考