粒子物理标准模型的困惑

2020-09-08 10:00阅读：

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粒子物理标准模型的困惑
吕学山
摘要：本文给出了夸克模型的种种弊端，阐明了微观世界的构成，质子和中子的结构模型，并且据此描绘了核力形成的模型，进而阐明了W^±粒子在原子核中的作用机理。给出了光子和电子，即能量和质量的转换。
关键词: 夸克，质子，中子，W^±粒子，强力，弱力

一. 引言
粒子物理标准模型是20世纪建立的。它的核心是夸克模型。
1968年，通过电子-质子深度非弹性实验（类似卢瑟福用α粒子轰击原子核的实验。），发现氢原子核（即质子）内存在3个带电的小点状物，点状物被命名为夸克。
基本粒子是不可再分的粒子，标准模型确认的基本粒子一共有61种，包括费米子和玻色子两大类。
费米子是组成物质的基本粒子，有夸克6味×3色×正反2 = 36种。

6味：上、下、粲、奇、顶和底。3色：红、绿、蓝。（味与色是形象叫法。）有轻子12种，包括：电子、μ子、τ子、对应的中微子

、

、

、以及各自反粒子。所以费米子共36 +12 =48种。
玻色子是传递作用力的媒介粒子，有光子，胶子8种，中间玻色子 W⁺、W^-、Z⁰，还有引力子，共13种。微观粒子有4种相互作用力：强力、弱力、电磁力、引力。传递强相互作用的8种胶子, 传递弱相互作用的 W⁺、W^-、Z⁰粒子，传递电磁相互作用的光子，传递引力作用的引力子。
此外粒子分为轻子和强子。轻子是基本粒子。强子由基本粒子组成，分成两类：重子和介子，介子由一个夸克和一个反夸克组成，重子由3个夸克组成。中子和质子都属于重子，质子是由两个上夸克和一个下夸克构成（uud），中子由一个上夸克和两个下夸克构成（udd）。胶子在夸克间传递强相互作用，才组成了强子。
基本粒子都没有质量，引入希格斯机制，与生成的希格斯粒子（上帝粒子）作用才获得质量。
此外所有36种夸克都带有分数电荷电量。例如：上夸克u带有+2/3电量，下夸克d带有-1/3电量。

二. 夸克模型的困惑
在20世纪七十年代，学术界确认质子和中子都是由夸克构成的，但是从来没有得到过一个单独的夸克。于是希望借助高能粒子将质子打碎，释放出夸克，然而不能如愿。由于得不到单独的夸克，于是理论家们认为单独的夸克是不可能观测到的，只好赋予夸克禁闭的标签。既然理论上夸克不可测量，实验也从来没有观测到，如何知道它的存在呢？
夸克模型假定夸克带有分数电荷，可是任何实验从来没有发现过分数电荷。这实在令人一头雾水。
基于杨-米尔斯规范理论的标准模型，要求基本粒子质量为0，因此引入了希格斯机制，生成希格斯粒子（上帝粒子），才使基本粒子具有了质量。上帝粒子令人神秘兮兮。
二十世纪，在宇宙射线中和高能加速器上发现了上百种介子，重子和共振态粒子。于是开始引入上，下夸克，但是无法解释清楚，增加到六种夸克，即6味。还是不够用，又让夸克带上三种颜色，并且添加上反夸克，达到36种夸克，实在令人眼花缭乱。
此外除引力外的另外三种力的“大一统理论”暗示：质子必须是不稳定的。然而多年来在地下，空中，对撞机上，没有发现质子衰变的任何蛛丝马迹。
夸克模型存在诸多问题，以夸克模型为基础的粒子物理标准模型越来越复杂，遇到棘手的问题越来越多。研究者们也无可奈何，只能穷于应付。

三. 微观世界的构成
微观世界非常简单，基本粒子有质子、中子、电子、光子，以及它们的反粒子。它们组成的化学元素只有几十种，最终构成了大千世界。
宇宙存在四种作用力，其中电磁力和引力，由场强的作用产生的，是即时发生的，不需要波色子传递。强力是质子，中子依靠W^-粒子形成的，弱力由W^-粒子衰变体现的。
下面给出质子，中子，W⁺ 粒子和W^- 粒子衰变的转换式：

粒子物理标准模型的困惑

粒子物理标准模型的困惑

质子和中子的结构模型，见图1。用一句话概括：质子中有中子，中子中有质子（归根结底由9百多个电子、中微子构成）。质子和中子内部带电的小点状物，是 W⁺ 与 W^-粒子，见附图。模型是依据粒子辐射的实验事实得出的，是有物理基础的。

粒子物理标准模型的困惑

粒子物理标准模型的困惑

表述强核力产生的原因。
所有元素的原子核中，中子数多于质子数或与之相等，所以质子总可以和中子匹配成对。根据二者的结构模型，W⁺ 与 W^-互相吸引，彼此靠近，当靠近到大约0.4×10^-15米时发生突变，由于中子不稳定，放出W^- 粒子，转换为质子，而质子吸收W^-粒子转换为中子，转换式为：n ↔ P + W^- ，如图2

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W^- 粒子沿着椭圆轨道环绕着两个质子运转（两个质子分别在椭圆的焦点处）。当W^- 粒子靠近哪个质子，该质子就转变为中子。因此两个质子在 W^- 粒子的参与下，不停地相互进行着中子和质子转换，这就是强核力产生和作用的机理。
下面再讨论弱作用力，简称弱力。弱力只存在于一些粒子发生衰变的一瞬间。如β衰变，μ子的衰变，以及π介子的衰变等。弱力的作用力程极短，大约小于10^-17米的范围内。
原子核在衰变过程中有弱力产生。例如中子的 β衰变，构成中子的质子和 W^-粒子之间的电磁力消失后

，游离出的 W^- 粒子中的弱作用力也迅速消失了，衰变为电子

粒子物理标准模型的困惑

和反电子中微子

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，

。
在微观世界中能量转化为质量。静止的正反电子的质量为 m_e，光子的能量

，质能联系定理

，一个静止的电子由频率

的光子（在γ射线频率的范围（10²⁰-10²⁴ Hz）内。）转变而成。频率比

小的光子不会转变为电子；频率比

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