基本粒子夸克電子質(zhì)子中子內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖解

摘 要：在粒子物理學(xué)中，「基本粒子」是組成物質(zhì)的最基本的單位。但根據(jù)「超弦理論」，基本粒子實(shí)為「弦」的不同振動(dòng)及形狀所組成，而「弦」內(nèi)部的最終結(jié)構(gòu)為帶正負(fù)電（磁）荷的“正負(fù)-弦位元”（見(jiàn)文章所有的粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖）。現(xiàn)今在「標(biāo)準(zhǔn)模型理論」的架構(gòu)下，已知的基本粒子可以分為組成物質(zhì)的費(fèi)米子（包含夸克和輕子）以及傳遞力的玻色子（包含規(guī)范玻色子和希格斯玻色子）?，F(xiàn)今最新的「超對(duì)稱理論」可以統(tǒng)一費(fèi)米子及玻色子，即在高維空間下二者可互為轉(zhuǎn)換（但因至今高維空間及超對(duì)稱粒子，尚未發(fā)現(xiàn)，故文章暫不討論）。而在GUT大統(tǒng)一理論下費(fèi)米子中的夸克和輕子也是可以統(tǒng)一互為轉(zhuǎn)換的（圖1）。我們?nèi)粘Ｉ钪械奈镔|(zhì)是由最大的費(fèi)米子-原子所組成，原子由電子和原子核所組成，原子核又由質(zhì)子（含2個(gè)上夸克、1個(gè)下夸克）和中子（含2個(gè)下夸克、1個(gè)上夸克）所組成（圖2）。傳遞力的（規(guī)范）玻色子有四種：（1）傳遞電磁力的光子（圖3）、（2）傳遞引（重）力的引（重）力子（圖4）、（3）傳遞核強(qiáng)力的膠子（圖5）、（4）傳遞核弱力的弱玻色子（圖6），最后還有一種賦予所有粒子質(zhì)量的希格斯玻色子（圖7）。物質(zhì)宇宙就是由上述這些物質(zhì)性的費(fèi)米子以及傳遞力的玻色子所構(gòu)成。

關(guān)鍵詞：基本粒子；超弦理論；標(biāo)準(zhǔn)模型；超對(duì)稱；費(fèi)米子；玻色子；規(guī)范玻色子；希格斯玻色子

1 兩種費(fèi)米子：強(qiáng)子（夸克）、輕子（中微子、電子）內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型解析

我們的宇宙由兩大類粒子所組成，即構(gòu)成物質(zhì)的費(fèi)米子和在費(fèi)米子間傳遞作用力的玻色子（玻色子在文章第三解析）。而費(fèi)米子又可分為由夸克組成的強(qiáng)子及由電子，中微子組成的輕子兩大類。所謂強(qiáng)子就是所有只參與宇宙四大作用力（強(qiáng)作用力，弱作用力，電磁力，引力）中的強(qiáng)作用力的粒子總稱。強(qiáng)作用力是只作用于原子核內(nèi)部的力，其范圍只有10-12至10-16公分，是一種「禁閉態(tài)」的「束縛力」。但輕子確相反，是一類只參與弱力、電磁力和引力，而不參與強(qiáng)作用力的粒子的總稱。其范圍自10-16公分（弱力范圍）擴(kuò)散至全宇審（電磁力和引力范圍），是一種「自由態(tài)」的「擴(kuò)散力」。

包含「夸克」及「輕子」的「費(fèi)米子」，其定義如下：

費(fèi)米子（fermion）指按「費(fèi)米-狄拉克」統(tǒng)計(jì)：角動(dòng)量的「自旋量子數(shù)」為1/2， 3/2， 5/2， 7/2…等為「半奇數(shù)」的粒子，并且服從「包利不兼容原理」（Pauli exclusion principle），即2個(gè)以上費(fèi)米子不能處于相同量子態(tài)，亦即不能占據(jù)同一空間，但玻色子卻可以。

「夸克族」及「輕子族」彼此間可互為轉(zhuǎn)換（衰變），其互為轉(zhuǎn)換（衰變）模式如圖1所示：

2 中子、質(zhì)子及介子內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型分析

2.1 強(qiáng)子的分類及其中電荷分布關(guān)系

強(qiáng)子類-分為以「膠子」連結(jié)三個(gè)「夸克」所組成之重子族（含質(zhì)子、中子、超子-比中子，質(zhì)子還重之重子）及以「膠子」連結(jié)二個(gè)「夸克」所組成之介子族（介子、各種重介子）。

強(qiáng)子類中的重子家族（中子，質(zhì)子，超子）中，每個(gè)重子含：3個(gè)夸克，每個(gè)夸克又含：4條希格斯玻色子，因此每個(gè)重子共含：12條希格斯玻色子。以中子，質(zhì)子為例，其內(nèi)部電荷結(jié)構(gòu)分析如下。

2.1.1 中子含1個(gè)上夸克-4條陽(yáng)希格斯玻色子，2個(gè)下夸克含-4條陰希格斯玻色子及4條中性希格斯玻色子，正負(fù)電荷相抵=0故中子為電中性。而1個(gè)下夸克的2條陰希格斯玻色子與1個(gè)上夸克的4條陽(yáng)希格斯玻色子的總合比例為：1/3比2/3，故下夸克的電荷為-1/3，而上夸克的電荷為+2/3（-號(hào)僅代表相反電荷，并非負(fù)的電荷或負(fù)的能量）。

2.1.2 質(zhì)子含2個(gè)上夸克共-8條陽(yáng)希格斯玻色子，1個(gè)下夸克-2條陰希格斯玻色子，2條中性希格斯玻色子，正負(fù)電荷相抵后剩6條陽(yáng)希格斯玻色子，正好占-總數(shù)「12條希格斯玻色子」的一半（物理規(guī)律-正負(fù)電荷分配各占一半），故而質(zhì)子帶正電荷。

【至于-反中子與反質(zhì)子則與上同理，只是電荷相反為：反上夸克電荷為-2/3，反下夸克電荷為+1/3，可按圖2自行比對(duì)，故不再贅述】

2.1.3 所謂的3「色」夸克，絕非指「顏色」有3種，而是指「排列的相位」有3種：每個(gè)夸克內(nèi)的4條希格斯玻色子共有8條分弦，按排列的相位不同而分為3色：

（1）上夸克8條分弦的端點(diǎn)為同電荷且多數(shù)電荷同朝「內(nèi)」，下夸克為多數(shù)電荷同朝「外」，如此相位排列為第一色（參考藍(lán)夸克）。

（2）上夸克8條分弦的端點(diǎn)為同電荷且多數(shù)電荷同朝「外」，下夸克為多數(shù)電荷同朝「內(nèi)」，如此相位排列為第二色（參考紅夸克）。

（3）上下夸克8條分弦的端點(diǎn)為相反電荷，而相對(duì)的位置-4條分弦朝「內(nèi)」，4條分弦朝「外」，如此相位排列則為第三色（參考綠夸克）。

因?yàn)樵凇赋邷亍够颉赋蜏亍箷r(shí)，正（陽(yáng)）負(fù)（陰）弦，粒子，會(huì)有不同的相引或相斥運(yùn)動(dòng)，如此相位排列，才可使弦，粒子有效的轉(zhuǎn)動(dòng)，組合，分裂。

2.2 中子、質(zhì)子內(nèi)部的質(zhì)量分布關(guān)系

中子為以三條「膠子」連結(jié)1個(gè)「上價(jià)夸克」（價(jià)夸克為強(qiáng)子中最外或上層的夸克，其下尚疊加三代海夸克，這與原子中最外層之價(jià)電子一樣）及2個(gè)「下價(jià)夸克」所組成之重子，而質(zhì)子、為以三條「膠子」連結(jié)2個(gè)「上價(jià)夸克」及1個(gè)「下價(jià)夸克」所組成之重子。

宇宙中包括費(fèi)米子及玻色子（光子、引力子、膠子除外）的所有粒子質(zhì)量均來(lái)源于希格斯場(chǎng)，因希格斯場(chǎng)外圍疊加「負(fù)能量（負(fù)質(zhì)量）場(chǎng)」（圖7），「負(fù)能量場(chǎng)（負(fù)質(zhì)量）」也就是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)中的宇宙學(xué)常數(shù)Λ，「負(fù)能量（負(fù)質(zhì)量）」能抵消及分散夸克的能量（質(zhì)量），故下價(jià)夸克能量?jī)H7eV，而上價(jià)夸克能量?jī)H5eV，但3個(gè)價(jià)夸克組成的中子，質(zhì)子之能量竟然為939.6eV及938.3eV，但3個(gè)夸克加起來(lái)能量最多也只有21eV。若是沒(méi)有「負(fù)能量場(chǎng)」吸收（正）能量，則上述事實(shí)將完全矛盾無(wú)解，這又稱為「反遮蔽效應(yīng)」。一個(gè)重子之內(nèi)疊加了眾多的「?？淇恕梗ㄒ?jiàn)表1），但「反遮蔽效應(yīng)」的范圍僅在10-16cm之內(nèi)，大于此范圍，能量就會(huì)漸漸顯現(xiàn)出來(lái)，因此直徑為10-13cm的中子，質(zhì)子就顯現(xiàn)出相對(duì)的大能量（質(zhì)量），故而我們所偵測(cè)到的3個(gè)價(jià)夸克實(shí)際上僅是能量及電荷經(jīng)「正負(fù)相抵」后的「微量差額-顯現(xiàn)」，這就像浮出海面的小島，從空中看來(lái)是個(gè)小島，但從深海底來(lái)看，卻是連接地球（地球好比希格斯場(chǎng)）的巨山。endprint

3 五種玻色子內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖解析

玻色子（boson）指按玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)，角動(dòng)量的「自旋量子數(shù)」為0，1，2..等為「整數(shù)」的粒子。玻色子不服從「泡利不兼容原理」，即多個(gè)玻色子可以同時(shí)占有同樣量子態(tài)（即可以同時(shí)占有同一空間），即在低溫時(shí)可以發(fā)生玻色-愛(ài)因斯坦凝聚。

玻色子可再分為二類：

（1）規(guī)范玻色子，有四種

a.光子-電磁相互作用的媒介粒子，自旋為1，只有一種（圖3）。b.引力子-引力相互作用的媒介粒子，自旋為2，只有一種，尚未被發(fā)現(xiàn)（圖4）。c.膠子-強(qiáng)相互作用的媒介粒子，自旋為1，有八種（圖5）。d.W及Z玻色子-弱相互作用的媒介粒子，自旋為1，有三種（圖6）。

（2）希格斯玻色子-通過(guò)希格斯機(jī)制將質(zhì)量給予其它粒子，自旋為0，可能有五種但目前只發(fā)現(xiàn)一種（圖7）。

以下即五種玻色子內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖解析：

宇宙中所有粒子在網(wǎng)狀希格斯場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的阻力即成為粒子的質(zhì)量（同為開(kāi)弦態(tài)之光子；膠子及超微小之引（重）力子不受該場(chǎng)影響，質(zhì)量仍為零）

4 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)今在描述所有基本粒子的「標(biāo)準(zhǔn)模型理論」架構(gòu)下，宇宙中有兩大類粒子：即組成物質(zhì)的費(fèi)米子（包含夸克和輕子）以及傳遞力的玻色子（包含規(guī)范玻色子和希格斯玻色子）共有六十二種，其中包括：

（1）強(qiáng)子：六味（即三代夸克），三色（紅綠藍(lán)），正反夸克，共三十六種（6×3×2=36）；（2）輕子：正反六種（即三代電子和中微子）輕子，共十二種（2×6=12）；（3）規(guī)范玻色子：八種膠子；三種弱玻色子（W+W+及Z0）；一種光子；一種引力子（尚未發(fā)現(xiàn)），共十三種（8+3+1+1=13）；（4）希格斯玻色子（剛發(fā)現(xiàn)了一種，可能有五種）。

這六十二種基本粒子中，可統(tǒng)一費(fèi)米子及玻色子的「超對(duì)稱理論」，因至今高維空間及超對(duì)稱粒子，尚未發(fā)現(xiàn)，故暫不討論。但在GUT大統(tǒng)一理論下及在無(wú)數(shù)超大型加速器中，強(qiáng)子與輕子對(duì)撞的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明： 強(qiáng)子（夸克） 與 輕子（電子、中微子）是可以互為轉(zhuǎn)換的（圖1）。

其轉(zhuǎn)換模式如下：

中微子←互為轉(zhuǎn)換→上型夸克

電子←互為轉(zhuǎn)換→下型夸克

反中微子←互為轉(zhuǎn)換→反型上夸克

正電子←互為轉(zhuǎn)換→反下型夸克。

另外基本粒子并不基本，而是由弦的不同振動(dòng)及形狀所組成，其中弦的基本單元是「弦位元」，故而「弦位元」就是「基本粒子」內(nèi)的DNA。

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作者簡(jiǎn)介：張嘉年（1965，3-），男，中國(guó)臺(tái)灣，本科，臺(tái)商，宇宙物理學(xué)研究者，物理講師，研究方向：量子力學(xué)，粒子物理，超炫理論，宇宙學(xué)相對(duì)論。endprint