一种研究宇宙基本成分的新方法，彻底搞懂粒子物理学

经典的物理理论认为物质由基本粒子组成，它们之间仅以几种不同的方式相互作用。在20世纪70年代，物理学家开发了一套描述这些粒子和相互作用的方程。这些方程共同形成了一个简明的理论，现在被称为粒子物理学的标准模型。

标准模型缺失了一些令人费解的部分（明显缺失的是构成暗物质的假定粒子，那些表达引力的粒子，以及对中微子质量的解释），但它给出了几乎所有其他观察到的现象的极其精确的图像。

然而，标准模型仍然缺乏连贯的可视化。大多数尝试都过于简单，或者忽略了重要的相互联系，或者混乱不堪。

考虑最常见的可视化，它显示了一个粒子周期表：

• 标准模型

这种方法并不能洞察粒子之间的关系。带力粒子（即传递电磁力的光子），W和Z玻色子传递弱力，而传递强力的胶子与物质粒子——夸克、电子及其同类——处于相同的地位。此外，像“颜色”这样的关键属性被省略了。

2013年影片《粒子热》（Particle Fever）的另一个表述是：

尽管这种可视化恰当地强调了希格斯玻色子的中心地位，希格斯玻色子被放在光子和胶子旁边，尽管在现实中希格斯玻色子并不影响这些粒子。而圆的象限是有误导性的——例如，这意味着光子只与它接触的粒子偶联，但事实并非如此。

一种新方法

伊利诺伊州费米国家加速器实验室的粒子物理学家克里斯·奎格数十年来一直在思考如何对标准模型进行可视化，希望更强大的可视化表示能够帮助人们熟悉已知的自然粒子并促使他们思考关于这些粒子如何适合更大，更完整的理论框架。奎格的直观表示方式展示了标准模型的更多基本顺序和结构。他称其方案为“双单形”。

让我们从头开始构建双单形。

夸克在底部

物质粒子主要有两种，轻子和夸克。(请注意，对于自然界的每一种物质粒子，都存在一种反物质粒子，它具有相同的质量，但在其他方面都是相反的。正如其他标准模型可视化所做的那样，我们省略了反物质，这会形成一个独立的、反向的双单形。）

让我们从夸克开始，特别是组成原子核中的质子和中子的两种类型的夸克。这两种夸克是上夸克，电荷为单位的2/3；下夸克，电荷为- 1/3。

上下夸克可以是“左旋的”或“右旋的”，这取决于它们相对于运动方向是顺时针旋转还是逆时针旋转。

弱变化

通过一种称为弱力的相互作用，左旋的上下夸克可以相互转换。当夸克交换一种叫做W玻色子的粒子时，就会发生这种变化。W玻色子是弱力的载体之一，带有正负1的电荷。这些弱相互作用用橙色线表示：

奇怪的是，自然界中没有右手的W玻色子。这意味着右旋的上下夸克不能发射或吸收W玻色子，所以它们不会相互转换。

强烈的颜色

夸克还具有一种叫做颜色的电荷。一个夸克可以有红色、绿色或蓝色电荷。夸克的颜色使它对强力敏感。

这种强力将不同颜色的夸克结合在一起形成复合粒子，如质子和中子，它们是“无色的”，没有净色电荷。

夸克通过吸收或释放胶子来从一种颜色转换为另一种颜色，胶子是强力的载体。这些相互作用形成了三角形的边。因为胶子本身具有色电荷，它们不断地相互作用，就像与夸克相互作用一样。胶子之间的相互作用填充了这个三角形。

现在我们来看轻子，另一种物质粒子。轻子有两种：电子和中微子，前者的电荷为−1，后者为电中性。

与左旋上夸克和左旋下夸克一样，左旋电子和中微子可以通过微弱的相互作用相互转化。然而，在自然界中还没有见过右旋中微子。

注意轻子不带色电荷，也不通过强力相互作用；这是它们区别于夸克的主要特征。

单形框架

把我们目前所做的放在一起，我们得到左手性的粒子在左边，右手性的粒子在右边。它们构成了奎格双单形的基本框架。

三代夸克

现在，一个复杂的问题是：由于未知的原因，每种类型的物质粒子存在三种逐渐加重但在其他方面相同的版本。例如，除了上夸克和下夸克之外，还有粲夸克和奇夸克，还有更重的顶夸克和底夸克。轻子也是如此：除了电子和电子中微子，还有μ介子和μ中微子，还有τ子和τ中微子（请注意，中微子的质量虽小但未知）。它们构成了奎格双单形的基本框架。

所有这些粒子都生活在双单形的角落里。值得注意的是，在不同代中，左旋夸克之间会发生少量的弱相互作用，例如，一个上夸克偶尔会吐出W+玻色子，变成一个奇夸克。不同代的轻子偶尔也会以这种方式相互作用。

力和电荷

粒子之间还有什么其他的相互作用方式？我们已经提到过，许多物质粒子都是带电的——事实上，除了中微子，所有的粒子都是带电的。带电的意思是这些粒子对电磁力很敏感。它们通过交换光子相互作用，光子是电磁力的载体。我们用波浪线来表示电磁相互作用，这些波浪线将带电粒子彼此连接起来。请注意，这些相互作用不会使粒子相互转化，在这种情况下，粒子只能感受到推或拉。

弱力比我们之前说的要复杂一点。除了W+和W -玻色子，还有一种弱力的中性载流子，叫做Z_0玻色子。粒子可以吸收或释放Z_0玻色子而不改变其性质。与电磁相互作用一样，这些“弱中性相互作用”只会导致能量和动量的损失或增加。弱中性相互作用在这里用橙色波浪线表示。

弱中性相互作用与电磁相互作用相似，这并非巧合。弱力和电磁力都来自于一个单一的力，在宇宙的最初时刻存在，称为电弱相互作用。

随着宇宙冷却，一个被称为电弱对称破缺的事件将这些力一分为二。这一事件的标志是一个贯穿整个空间的场的突然出现，这个场被称为希格斯场，它与一种叫做希格斯玻色子的粒子有关——这是我们谜题的最后一块。

进入希格斯

希格斯玻色子是标准模型的关键，也是为什么双单形排列有意义的关键。当希格斯场在早期宇宙中出现时，它将左旋和右旋的粒子结合在一起，同时赋予这些粒子我们称之为质量的性质。(请注意，中微子是有质量的，但它的起源仍然是神秘的，因为它源自某种机制，而不是希格斯玻色子。）

当一个粒子（如电子）在空间中移动时，它会不断地与希格斯玻色子——希格斯场的激发态——相互作用。当一个左旋电子与一个希格斯玻色子碰撞时，电子可能会从它身上反弹到一个新的方向，变成右旋电子，然后再与另一个希格斯粒子碰撞，再次变成左旋电子，以此类推。这些相互作用降低了电子的速度，这就是我们所说的“质量”。

一般来说，粒子与希格斯玻色子相互作用越多，它的质量就越大。此外，与希格斯玻色子频繁的相互作用使这些大质量粒子成为左旋和右旋的量子混合物。

这样，我们就有了粒子物理学的标准模型。