主题 10 — 基本粒子物理

标准模型 · 夸克与轻子 · 反物质 · 四种基本力 · CERN 研究

✎ 考纲对应说明：考纲目录虽列有主题 10（Elementarteilchenphysik），但正文没有单独的「§10」一节（从 §9 直接跳到 §11）——本主题的全部考点挂在 §12 Kernphysik 的「Standardmodell der Elementarteilchen」与「Forschung am CERN / LHC」两小节下：6 夸克 + 6 轻子、质子 uud / 中子 udd 电荷算术、玻色子/四种相互作用表、Higgs 2012、湮灭 $e^{-}+e^{+}\to 2\gamma$、不对称 $({10}^9+1):{10}^9$、CERN/LHC（同步加速器、四探测器）与六大研究目标。本讲义全部覆盖。

章节

• 10.1 什么是基本粒子物理
• 10.2 标准模型
• 10.3 反物质
• 10.4 四种基本相互作用
• 10.5 CERN 的实验粒子研究
• 10.6 力的统一：大统一理论与万有理论
• 10.7 数量级阶梯（概览）

Selfcheck / 自测

1. 基本粒子物理研究什么？为什么说标准模型「正确但不完备」？
2. 说出费米子的两个家族。哪些夸克/轻子最重要？
3. 用夸克电荷证明质子为 +1、中子为 0。
4. 什么是反物质？湮灭时发生什么？与裂变/聚变相比效率如何？
5. 说出四种基本力的强度、力程和传递粒子。
6. 为什么没有强力就没有原子核？弱力的特别之处是什么？
7. 什么是希格斯场？为什么 2012 年意义重大？
8. 如何论证暗物质的存在（自转曲线）？
9. 为什么 LHC 的微型黑洞无害？
10. 物质-反物质不对称说的是什么？
11. 什么是强子？重子与介子有何区别？为什么 LHC 叫「大型强子对撞机」？
12. 为什么永远观察不到单个夸克（禁闭）？
13. 中微子是谁、为何提出的？为什么如此难探测？
14. 宇宙射线中的 μ 子（寿命 2.2 μs）为什么能到达地面？
15. **统一（Vereinheitlichung）**是什么意思？哪些力已被统一（麦克斯韦；电弱）？GUT 与 TOE/万有理论各要做什么？为什么 TOE 至今未能成功？
16. 量子场论说的是什么（粒子作为场的激发）？什么是 QED，它与谁相关联？
17. 在 LHC 中是哪种力把质子约束在圆轨道上（名称 + 公式思路）？磁体多强？**腔（Kavität）**有何用？
18. 物质-反物质不对称背后的术语是什么（对称性破缺 / CP 破坏）？区分虚交换粒子与实交换粒子。

§§ANTWORTEN

1. 它研究物质最根本的组成单元（比原子/核子更深）及其相互作用。标准模型「正确但不完备」：不含引力，也解释不了暗物质/暗能量。(§10.2)
2. 夸克（6 个）和轻子（6 个），都是费米子。最重要的是上夸克和下夸克（组成质子/中子）以及电子 $e^{-}$ 及其 ${\nu }_e$。(§10.2)
3. 质子（uud）： $+\frac{2}{3}+\frac{2}{3}-\frac{1}{3}=+1$。中子（udd）： $+\frac{2}{3}-\frac{1}{3}-\frac{1}{3}=0$。(§10.2)
4. 反粒子与粒子仅电荷相反。湮灭时物质 + 反物质化为辐射（$e^{-}+e^{+}\to 2\gamma$，沿 180°）。效率把100% 的质量转化为能量——对比裂变约 0.1%、聚变约 0.7%。(§10.3)
5. 强力（强度 1，$\sim {10}^{-15}$ m，胶子）、电磁力（$\sim {10}^{-2}$，$\mathrm{\infty }$，虚光子）、弱力（$\sim {10}^{-5}$，极短，$W^{+}/W^{-}/Z$）、引力（$\sim {10}^{-39}$，$\mathrm{\infty }$，引力子）。(§10.4)
6. 没有强力，质子会因电磁力互斥 → 没有原子核。弱力的特别之处：既不吸也不斥，且能改变味（如 β 衰变中下夸克变上夸克）。(§10.4)
7. 希格斯场充满空间，解释质量是什么（作用强 → 质量大；无质量如光子 → 不作用）。2012 年在 CERN 证实了希格斯粒子。(§10.5)
8. 星系边缘的恒星转得比可见质量所允许的更快（自转曲线向外不下降）；有些星系团需多达 400 倍质量 → 暗物质。(§10.5)
9. 它们比质子还小，寿命仅约 ${10}^{-26}$ s → 经霍金辐射立即蒸发，因此完全无害。(§10.5)
10. 大爆炸时产生了微小的物质过剩（比例 $({10}^9+1):{10}^9$）；否则只剩辐射。这一过剩构成了所有可见物质——成因是开放问题。(§10.5)
11. 强子 = 由夸克组成、参与强力的复合粒子：重子（3 个夸克，如质子/中子）与介子（夸克 + 反夸克，如 π 介子）。LHC 对撞的质子/铅核都是强子，故得名；轻子不是强子（不带色荷）。(§10.2)
12. 因为禁闭：色力不随距离减弱（橡皮筋图像）——拉开夸克所需的能量足以按 $E=m{c}^2$ 生成新的夸克-反夸克对，得到的永远是强子而非自由夸克 → 分数电荷从未单独测到。唯一例外：夸克-胶子等离子体。(§10.4)
13. 泡利（1930）为挽救 β 衰变的能量守恒（连续 β 能谱）而假设中微子，1956 年才被证实。难探测是因为它不带电、不带色荷，只参与弱力——每秒数十亿太阳中微子穿身而过；振荡证明它有质量（2015 诺奖），又一处标准模型不完备。(§10.2)
14. 经典上 μ 子最多飞 $c\cdot 2.2\mu \text{s}\approx 660$ m，远不够约 20 km——但时间膨胀（SRT）使它在地球参考系中「活得更久」（等价地：μ 子系中路程收缩），故能到达地面。(§10.2，详见主题 6 §6.2)
15. 统一＝把四种基本力看作一种相互作用的不同表现。已统一的：电磁力（麦克斯韦：电 + 磁）与电弱力（电磁力 + 弱力；格拉肖/萨拉姆/温伯格，1979 诺奖）。GUT 要再纳入强力（未证实），TOE/万有理论还要纳入引力——至今未能成功，因为引力无法量子化。(§10.6)
16. 在量子场论中，场才是根本；粒子只是它对应场的一个激发（量子）。QED（量子电动力学）是电磁相互作用（电子 ↔ 光子）的量子场论，主要由费曼发展（费曼图）。(§10.6)
17. 洛伦兹力 $\overrightarrow{F}=q\overrightarrow{v}\times \overrightarrow{B}$ 把质子约束在圆轨道上；为此 LHC 的超导磁体产生 ~8 特斯拉。质子在腔（谐振腔）中靠高频交变电场加速。(§10.5)
18. 不对称背后是对称性破缺，具体为CP 破坏（C＝粒子↔反粒子，P＝空间镜像；自然界在此并非完全对称）——由 LHCb 研究。虚交换粒子传递力、不可直接观测；实交换粒子（如 $e^{-}+e^{+}\to 2\gamma$ 产生的实光子）是自由、可探测的粒子。(§10.3/§10.5)