粒子物理學

粒子物理學( particle physics )，是研究組成物質和射線的基本粒子以及它們之間相互作用的一個物理學分支。由於許多基本粒子^[1]在大自然的一般條件下不存在或不單獨出現，物理學家只有使用粒子加速器在高能相撞的條件下才能生產和研究它們，因此粒子物理學也被稱為高能物理學。

歷史

前6世紀古希臘的哲學家就提出物質是由基本粒子組成的猜測。流西普斯、德謨克里特斯和伊比鳩魯是「原子論」的代表人物。17世紀時艾薩克·牛頓也有過物質是由粒子組成的想法。1802年約翰·道爾頓正式提出所有物質是由原子組成的理論。

1869年季米特里·門捷列夫發表的元素周期表加深了原子論的設想。約瑟夫·湯姆孫發現了原子中存在帶有負電荷、質量非常小的電子，認為原子是由質子和被束縛的電子組成的。歐內斯特·盧瑟福證明質子集中在非常緊密的原子核中。1932年英國物理學家查德威克發現了中子，至此，人們認識到原子核是由質子和中子組成的，電子在原子核外運動。

20世紀原子物理學和量子物理學的研究導致了裂變和聚變的發現和實驗成功。人類能夠將一個元素的原子轉換成另一個元素的原子。

1950年代和60年代中許多新的粒子被發現，它們被統稱為「粒子動物園^[2]」。直到1970年代粒子物理的標準模型建立，將大多數這些粒子看作是少數基本粒子的複合粒子後這個混亂才減輕。

亞原子粒子

現代粒子物理學的研究集中在亞原子粒子上。這些粒子的結構比原子要小，其中包括原子的組成部分如電子、質子和中子（質子和中子本身又是由夸克所組成的粒子）和放射和散射所造成的粒子如光子、中微子和緲子，以及許多其它奇特的粒子。

基礎粒子
	類型	世代	反物質	色	總數
夸克	2	3	成對	3	36
輕子	2	3	成對	無	12
膠子	1	1	自身	8	8
光子			自身	無	1
Z玻色子			自身		1
W玻色子			成對		2
希格斯玻色子			自身		1
總共(已知)的基礎粒子:					61

嚴格地說「粒子」這個稱呼不精確，粒子物理學中研究的所有的物體都遵守量子力學的規則，它們都顯示波粒二象性，根據不同的實驗條件它們顯示粒子的特性或波的特性。在物理理論中，它們既非粒子也非波，理論學家用希爾伯特空間中的狀態向量來描寫它們，詳細的理論基礎為量子場論。但按照粒子物理學的常規在這篇文章中這些物體依然被稱為「粒子」，雖然這些粒子也具有波的特性。

今天所知的所有基本粒子都可以用一個叫做粒子物理標準模型的量子場論來描寫。標準模型是目前粒子物理學中最好的理論，它包含37種基本粒子，這些基本粒子相互結合可以形成更加複雜的粒子。從1960年代以來實驗物理學家已經發現和觀察到了上百種複合粒子了。標準模型理論幾乎與至今為止觀察到的所有的實驗數據相符合。雖然如此大多數粒子物理學家相信它依然是一個不完善的理論，一個更加基本的理論還有待發現。最近發現的中微子靜質量不為零是第一個與標準模型出現偏差的實驗觀測。

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