[科普中國]-Λ粒子

在粒子物理中，Λ粒子是一類由三個夸克組成的重子。

一個上夸克、一個下夸克和一個奇夸克組成Λ；一個上夸克、一個下夸克和一個粲夸克組成Λ+c；一個上夸克、一個下夸克和一個底夸克組成Λ0b。

性質(zhì)Λ粒子于1947年的一次宇宙射線相互作用中首先被發(fā)現(xiàn)。該粒子理論壽命為約10s，但它實(shí)際存留了約10s。使它存留了如此長時間的未知屬性后來被稱為奇異性，Λ粒子的“奇異性”（strangeness）也導(dǎo)致了奇夸克的發(fā)現(xiàn)和“奇異性守恒定律”這一理論的創(chuàng)造。該理論指出，如果某些質(zhì)量較小的粒子表現(xiàn)出“奇異性”，它們的半衰期便會較長（因?yàn)樵谥刈拥乃プ兎侨跸嗷プ饔昧λプ冞^程中奇異性必須守恒）。1

粒子的定義粒子（particle）指能夠以自由狀態(tài)存在的最小物質(zhì)組分。最早發(fā)現(xiàn)的粒子是電子和質(zhì)子，1932年又發(fā)現(xiàn)中子，確認(rèn)原子由電子、質(zhì)子和中子組成，它們比起原子來是更為基本的物質(zhì)組分，于是稱之為基本粒子。以后這類粒子發(fā)現(xiàn)越來越多，累計(jì)已超過幾百種，且還有不斷增多的趨勢；此外這些粒子中有些粒子迄今的實(shí)驗(yàn)尚未發(fā)現(xiàn)其有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有些粒子實(shí)驗(yàn)顯示具有明顯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?？磥磉@些粒子并不屬于同一層次，因此基本粒子一詞已成為歷史，如今統(tǒng)稱之為粒子。1

粒子的分類基本粒子的名稱與特性

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非假想粒子分類表

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拓展信息粒子：能夠以自由狀態(tài)存在最小物質(zhì)組分。最早發(fā)現(xiàn)的粒子是電子和質(zhì)子，目前已發(fā)現(xiàn)的粒子累計(jì)超過幾百種。粒子簡介 需要說明的是，粒子并不是像中子、質(zhì)子等實(shí)際存在的具體的物質(zhì)， pvc粒子

而是它們的統(tǒng)稱，是一種模型理念。就好比說“動物”，有獅子、老虎等，但并沒有“動物”這種生物，所以“動物”一詞是一個統(tǒng)稱，“粒子”也一樣。2

粒子之間的作用粒子之間存在著相互作用，有強(qiáng)相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用，其中引力相互作用非常弱，可以忽略。通過這些相互作用，產(chǎn)生新粒子或發(fā)生粒子衰變等粒子轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。按照參與相互作用的性質(zhì)將粒子分成以下幾類：①規(guī)范粒子。即傳遞相互作用的媒介粒子，已發(fā)現(xiàn)的有傳遞電磁作用的光子和傳遞弱作用的W?、W?、Z?粒子。②輕子。不直接參與強(qiáng)作用可直接參與電磁作用和弱作用的粒子，已發(fā)現(xiàn)的有電子、μ子、τ子和相伴的電子中微子ve、μ子中微子、τ子中微子及它們的反粒子共12種。③強(qiáng)子。直接參與強(qiáng)作用，也參與電磁作用和弱作用的粒子。其中自旋為整數(shù)的強(qiáng)子稱為介子，自旋為半整數(shù)的強(qiáng)子稱為重子。強(qiáng)子的數(shù)目眾多，其中大部分是通過強(qiáng)作用衰變的粒子，其壽命極短，是不穩(wěn)定的粒子，也稱為共振態(tài)。2

粒子的性質(zhì)各種粒子分別有各自的內(nèi)稟性質(zhì)，有粒子的質(zhì)量m（靜質(zhì)量，以能量表示）、壽命τ（平均壽命，指靜止系的平均壽命）、電荷Q（以質(zhì)子的電荷為單位）、自旋J（以為單位）、宇稱P、同位旋I、同位旋第3分量I3、重子數(shù)B、輕子數(shù)Le、、Lr、奇異數(shù)S、粲數(shù)C 、底數(shù)d等等。

在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的精度下，輕子的行為類似點(diǎn)粒子，沒有顯示出具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而強(qiáng)子顯示是復(fù)合粒子，具有一定的結(jié)構(gòu)。按照現(xiàn)代粒子物理的觀點(diǎn)，介子由一對正反夸克構(gòu)成，重子由3個夸克構(gòu)成，輕子和夸克屬于同一層次。2

基本粒子基本粒子（elementary particles）即構(gòu)成一切物質(zhì)實(shí)體的基本成分；也指量子理論中有基本力的粒子。 嚴(yán)格地說，基本粒子是不能再分解為任何組成部分的粒子。在這一定義下，只有夸克和輕子兩族基本粒子。但是，雖然質(zhì)子和中子由夸克組成，這兩類重子都不可能分解為它們的夸克成分，因?yàn)楠?dú)立的夸克是不能存在的。所以，盡管質(zhì)子和中子以及其他重子由夸克組成，它們常被看成是基本粒子。1

電子的發(fā)現(xiàn)直到19世紀(jì)末，原子一直被認(rèn)為是物質(zhì)的基本建筑砌塊。后來，英國粒子物理學(xué)先驅(qū)、劍橋卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的約瑟夫·約翰·湯姆遜(Joseph John Thomson，1856—1944)，發(fā)現(xiàn)原子產(chǎn)生的一種輻射能夠用原子自身分裂出來的帶電微粒流來解釋，現(xiàn)在知道這種帶電微粒就是電子。2

原子核的研究既然電子帶負(fù)電荷，而原子呈電中性，很明顯，原子內(nèi)部必然有另外的帶正電荷的粒子，以抵消電子的負(fù)電荷。20世紀(jì)初葉，工作于曼徹斯特的新西蘭裔物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937）（后來繼湯姆孫任卡文迪什實(shí)驗(yàn)室主任）證明，這一正電荷與原子的大部分質(zhì)量一起，都集中在很小的中心核內(nèi)。

起初人們認(rèn)為，原子核是電子與荷正電的質(zhì)子的混合物。到了1932年，也在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室工作的詹姆斯·查特威克(James Chadwick，1891—1937)才發(fā)現(xiàn)了不帶電的質(zhì)量幾乎與質(zhì)子一樣的中子。于是原子核被解釋成由強(qiáng)核相互作用，或強(qiáng)力，維持在一起的質(zhì)子和中子的集合。

那時，這三種粒子——電子、質(zhì)子和中子——似乎是構(gòu)成一切物質(zhì)的僅有基本粒子，但宇宙射線研究和粒子加速器中高能粒子束互相轟擊的實(shí)驗(yàn)卻表明，還存在其他類型‘亞原子’粒子；不過這些‘新’粒子是不穩(wěn)定的，它們將迅速‘衰變’成其他粒子簇射，以我們熟悉的電子、質(zhì)子和中子告終。

重要的是應(yīng)該懂得，這些新粒子根本不是存在于粒子加速器中互相轟擊的粒子(如質(zhì)子)的‘內(nèi)部’；它們是從注入加速器的能量中，按照愛因斯坦的公式 (或者，在所討論的情況下，更恰當(dāng)?shù)氖?創(chuàng)造出來的。

然而，在它們的短暫壽命期間，它們是具備質(zhì)量和電荷等特征的真正粒子。這樣的粒子，應(yīng)該曾經(jīng)在大爆炸的高能條件下大量出現(xiàn)。2

介子的研究物理學(xué)家不知道如何將這些粒子納入一個圓滿的物理理論，他們試圖解釋這些粒子之間基本力的作用方式。他們這樣做時，仿效光子攜有帶電粒子之間的電磁力，想借助另一類攜帶著力的粒子——介子。但介子又是用什么東西制造的呢？2

夸克理論有一段時期，局面極其混亂。但1960和1970年代發(fā)展的夸克理論使局面趨于明朗?？淇死碚撜J(rèn)為，所有已知粒子可以分成兩族。一族由夸克組成，能夠‘感知’只在夸克之間起作用的強(qiáng)力，叫做強(qiáng)子。另一族叫做輕子，它們不能感知強(qiáng)力，但參與以所謂的弱力做媒介的相互作用(或稱弱相互作用)，比如，放射衰變(包括β衰變)過程就是弱相互作用引起的。強(qiáng)子既能參與強(qiáng)相互作用，也能感知弱力。2

輕子是名副其實(shí)的基本粒子，它們不由任何別的東西構(gòu)成。典范的輕子就是電子，電子與另一種叫做中微子(嚴(yán)格說應(yīng)是電子中微子)的輕子相伴生。當(dāng)電子參與放射衰變這類過程時，總有中微子卷入。

由于一些無人知曉的原因，這一基本圖像已經(jīng)復(fù)制了兩次，產(chǎn)生了三‘代’輕子。除電子本身外，還有比較重的叫做μ介子，它們除了比電子重207倍外，完全像是電子；還有一種甚至更重的粒子叫做τ粒子，它的質(zhì)量接近質(zhì)子的兩倍。這兩種重電子各有其自己的中微子，所以輕子族有六種(三對)粒子。雖然μ介子和τ粒子都能在粒子加速器中用能量制造或從宇宙線產(chǎn)生，但它們很快衰變，轉(zhuǎn)化成電子或中微子。2

強(qiáng)子族強(qiáng)子族本身又再分為兩類。由三個夸克構(gòu)成的粒子叫做重子，就是我們常說的‘物質(zhì)’粒子，包括質(zhì)子和中子(重子和輕子都是費(fèi)米子族的成員，費(fèi)米子實(shí)際上是普通物質(zhì)粒子的別稱)。由成對的夸克構(gòu)成的粒子叫做介子，它們是攜帶基本力的粒子，盡管還有其他的介子(這些力的載體和其他介子又稱為玻色子)。

只需要兩種夸克(它們的名字很怪，叫做‘上’夸克和‘下’夸克)就能解釋質(zhì)子和中子的結(jié)構(gòu)。一個質(zhì)子由通過強(qiáng)力維持在一起的兩個上夸克和一個下夸克構(gòu)成，而一個中子由通過強(qiáng)力維持在一起的兩個下夸克和一個上夸克構(gòu)成。

力本身可視為膠子的交換，而膠子本身又由夸克對組成，因而是介子。

正如輕子族復(fù)制了三代，夸克族也如此。雖然只需要兩種夸克來解釋質(zhì)子和中子的本質(zhì)，但復(fù)制的兩代夸克卻一代比一代重，其中一代叫做‘奇’夸克和‘粲’夸克，最重的一代叫做‘底’夸克和‘頂’夸克。和重輕子一樣，這些粒子能夠在高能實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生(因而大爆炸時必定大量存在過)，但迅速衰變成它們的較輕對應(yīng)物。雖然不可能分離出單個夸克，但粒子加速器實(shí)驗(yàn)已經(jīng)提供了夸克族所有這六個成員存在的直接證據(jù)；最后一種(頂)夸克是芝加哥費(fèi)密實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家于2007年找到的。

對夸克的質(zhì)量和其他性質(zhì)的研究表明，不可能有更多代的夸克，只能有三族夸克和三族輕子。幸而標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型也認(rèn)為不可能存在多于三代的粒子；不然的話，極早期宇宙中額外中微子造成的壓力應(yīng)該驅(qū)動宇宙過快地膨脹，從而使留存下來的氦含量與極年老恒星的觀測結(jié)果不符(見αβγ理論、核合成)。這是最美妙的證據(jù)之一，表明粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)兩者的標(biāo)準(zhǔn)模型對宇宙行為的描述，都同基本真理相去不遠(yuǎn)。

但是，除了大爆炸的最早片刻之外，第二和第三代粒子在宇宙的演化或其內(nèi)容物的行為中基本不起作用。我們在宇宙中看到的每樣?xùn)|西都能用兩種夸克(上和下)和兩種輕子(電子和電子中微子)加以說明；確實(shí)，由于單個的夸克不能獨(dú)立存在，我們看到的每樣?xùn)|西的行為，仍然能夠用1932年就已經(jīng)知道的電子、中子和質(zhì)子再加上電子中微子，以及四種基本力，相當(dāng)準(zhǔn)確地予以近似說明。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李曉林 - 教授 - 西南大學(xué)