科学变得简单:粒子物理学的标准模型是什么?


标准模型包括物质粒子(夸克和轻子)、带力粒子(玻色子)和希格斯玻色子。


粒子物理学的标准模型是科学家们目前描述宇宙最基本组成部分的最佳理论。它解释了被称为夸克(组成质子和中子)和轻子(包括电子)的粒子是如何组成所有已知物质的。它还解释了携带力的粒子(属于更广泛的玻色子)是如何影响夸克和轻子的。


标准模型解释了控制宇宙的四个基本力中的三个:电磁力、强力和弱力。电磁由光子携带,涉及电场和磁场的相互作用。胶子所携带的强力将原子核结合在一起,使其稳定。由W和Z玻色子携带的弱力引起的核反应,数十亿年来为我们的太阳和其他恒星提供了能量。第四种基本力是万有引力,标准模型还不能充分地解释这一点。


尽管标准模型在解释宇宙方面取得了成功,但它也有局限性。例如,希格斯玻色子赋予夸克、带电轻子(比如电子)以及W和Z玻色子以质量。然而,我们还不知道希格斯玻色子是否也为中微子提供了质量。中微子是一种与宇宙中其他物质很少相互作用的幽灵般的粒子。此外,物理学家们知道,大约95%的宇宙不是由我们所知的普通物质构成的。相反,宇宙的大部分是由不符合标准模型的暗物质和暗能量组成的。


美国能源部科学办公室:对粒子物理标准模型的贡献


能源部在支持基础粒子研究方面有着悠久的历史。六种夸克中的五种,一种轻子,以及所有三种中微子都是在现在的DOE国家实验室中发现的。美国能源部科学办公室(DOE Office of Science)支持的研究人员,往往与来自世界各地的科学家合作,为改进标准模型的诺贝尔奖获奖发现和测量做出了贡献。这些努力今天还在继续,通过实验对标准模型进行精确测试,并进一步改进对粒子特性及其相互作用的测量。理论学家与实验科学家一起开发探索标准模型的新途径。这项研究也可能为我们提供一些见解,让我们了解哪些未知的粒子和力量可以解释暗物质和暗能量,以及解释大爆炸后反物质的变化。


粒子物理事实的标准模型


所有普通物质,包括元素周期表上的每个原子,只由三种物质粒子组成:上夸克和下夸克,它们构成原子核中的质子和中子,以及围绕原子核的电子。


构建完整的标准模型花费了很长时间。1897年,物理学家J.J.汤姆森发现了电子,2012年,在大型强子对撞机(Large Hadron Collider)工作的科学家们发现了最后一块拼图——希格斯玻色子(Higgs boson)。


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