究竟有多少种基本粒子？

# 到底有多少种基本粒子？ | Quanta Magazine 来源：https://www.quantamagazine.org/how-many-elementary-particles-are-there-really-20260615/ Qualia：随好奇心引领的随笔 每次我写关于粒子物理的文章时，都会遇到一个关于数量的不确定性，这个数量乍一看本应是明确的。到底该说有多少种基本粒子呢？ 在大型强子对撞机的实验中，物理学家将质子束碰撞，将它们分解成所有可能的基本碎片。与此同时，他们有一套极其精确的数学方程组，用于描述这些构建块以及它们组合的所有方式。因此，既然自然界已知的粒子既可以被经验观测到，也可以被理论描述，你可能会认为它们也能被计数。但可惜并非如此。我知道，由于我们将要看到的原因，这场普查并不像看起来那么容易。 所以我最近给几位物理学家发了邮件，问他们各自是如何清点自然界的基本组成成分的。第一个表明问题有多复杂的迹象来自剑桥大学物理学家、教科书作者David Tong的回复，在我们安排视频通话时他说：“附注：我认为你问题的真正答案不是一个整数！” 我们稍后会谈到这一点（它来自2011年一项神秘的计算），但让我们从源头进入这个兔子洞。 已知的基本粒子及其相互作用遵循一组称为粒子物理标准模型的方程。标准模型是一种“量子场论”，一种对现实的数学描述，其中称为量子场的实体渗透整个宇宙。在这些场中运动的涟漪就是我们所说的基本粒子；有些行为像物质，而另一些则传递力。标准模型中的量子场和相关粒子构成了所有已知物理现象（引力、暗物质和暗能量除外，这些在基本层面上都以未知形式存在）的基础。 在教室墙上的海报中，标准模型展示了17种粒子。有12种物质粒子，即费米子：电子、μ子、τ子；三种中微子；以及六种夸克。它们中的每一种对不同力都有不同的敏感度。还有四种传递力的粒子，即“玻色子”：光子（传递电磁力）、W和Z玻色子（弱力）以及胶子（强力）。最后还有希格斯玻色子，一种既不是物质也不是力的所谓标量粒子；它通过与其它粒子的相互作用赋予它们质量。 Samuel Velasco / *Quanta Magazine* 事情可能就这么简单。“我认为17是正确的答案，”哈佛大学粒子物理学教授Melissa Franklin告诉我。 但每一位粒子物理学家，包括Franklin在内，都认识到有一些注意事项。 从17开始，你可以继续数下去。你停在哪里取决于你对复杂性和神秘感的偏好。有多少种粒子这个问题将我们带到了关于物质最基本层面已知知识的边缘。 17有一个明显的问题。为了满足狭义相对论，标准模型的每个物质场都支持一个粒子和一个“反粒子”，反粒子除了电荷相反外与粒子相同。这就是我们通常所说的反物质。因此，不是12种物质粒子，而是24种。同样，W玻色子有带相反电荷的类型，称为W⁺和W⁻。（Z玻色子、光子或胶子没有这种情况；它们是电中性的。） Franklin在她的统计中排除了反粒子，她说因为在数学上它们或多或少是粒子版本的镜像。（奇怪的是，反粒子等同于在时间上向后运动的粒子，反之亦然。）两者缺一不可，所以它们不应被重复计数。 但我认为这个理由没有说服力。粒子和反粒子无疑是不同的，即使它们是秘密的双胞胎。它们不能相互转化（中微子可能例外，它们可能是也可能不是自己的反粒子），而且远非功能等同，它们在现实中扮演着完全不同的角色。物质在我们的宇宙中如此占主导地位，以至于任何反物质通常都会迅速与物质相遇并湮灭。宇宙物质-反物质不对称的原因是物理学的一个重大谜团。 反粒子将总数提升到30。 但认为只有一种胶子的说法是另一个过度简化。实际上，强力由八种胶子（及其相关场）传递，每种胶子都具有不同的电荷混合，称为“颜色”和“反颜色”。不同的胶子在实验上无法区分，所以当问及是否所有八种都应单独计数时，作为实验学家的Franklin嗤之以鼻并摇了摇头。然而，在定义标准模型的数学方程中，八种胶子彼此之间的区别就像W和Z玻色子之间的区别一样。为了保持一致，我们可能必须计数全部八种。所以现在我们到了37。 夸克也有颜色——三种可能性被称为红、绿、蓝——而反夸克有反颜色，称为反红、反绿、反蓝。（不要太努力地去想象反红色；这些不是我们熟悉的光学颜色，尽管它们在数学上的结合方式是类似的。）颜色反映了胶子和夸克如何相互作用。 为了以稳定孤立的形式存在，物质必须是色中性的。所以，就像红光、绿光和蓝光混合成白光一样，红、蓝、绿夸克形成色中性的质子和中子（原子的构建块）。 所以不是六种夸克和六种反夸克，而是总共有36种。这就到了61种基本粒子。但还有更多。 物质粒子也有左旋和右旋两种类型，这种性质称为手性——可以说是一个关键区别。“我坚持认为有左旋和右旋粒子，”费米国家加速器实验室的高级粒子理论家Chris Quigg告诉我。“我无法解释这一点。怪我的父母吧。”（更独特的是，Quigg将传递力的粒子排除在他的列表之外，因为他认为它们是物质粒子的变换，而不是粒子本身。） 手性是化学家在分子中或我们在胳膊末端看到的手性的量子版本。它不像那些是几何排列，但在数学上两种状态是彼此的镜像；你不能通过旋转将一个变成另一个，就像你不能将左手变成右手一样。传递力的粒子有一个类似的区别，称为极化状态。光子和胶子可以是左旋或右旋极化，而W⁺、W⁻和Z玻色子还有第三种“纵向”极化状态。（这个额外状态有一个复杂的起源，与希格斯场和大爆炸期间的事件有关。） 并不是每个人都将这些不同的手性和极化状态视为不同的粒子类型。但这样做是合乎逻辑的，因为它们影响粒子的行为和相互作用。例如，弱力只影响左旋的物质粒子。出于相关原因，中微子只在标准模型中以左旋形式出现。这些是具有不同自然角色的物理上不同的状态。分别计数每种手性和极化状态，我们得到118种粒子——从右旋、反红、反粲夸克到绿-反蓝、左旋极化胶子，再到纵向W⁻玻色子。 “现在，”Tong说，“奇怪的事情来了。” 物理学家将粒子可以变化的所有方式称为“自由度”——粒子可以持有的每种状态对应不同的自由度。例如，颜色包含三个自由度：红、绿和蓝。但这些差异超出了我们已经描述的状态。我们可以将这些所有自由度的总和视为更精确、更数学化版本的问题：到底可以有多少种基本粒子。 物理学家早就注意到自由度中的一个模式：它们的数量取决于你计数的尺度。在我们日常现实的尺度上，对象可以用比指定所有微观成分状态所需的变量更少的变量来描述。当你放大一个质子，揭示其组成夸克及其颜色和各种其他属性时，你会观察到更多运动或变化的方式——更多的自由度。这是为什么难以确定粒子数量的主要原因之一。你越接近，它们的分类就越分裂。 此外，大爆炸初期可能充满了额外的、高能粒子，这些粒子无法在我们当前的低能宇宙中形成，也不是标准模型的一部分。例如，许多将模型扩展到高能早期宇宙的扩展理论假设存在重的右旋中微子，但这些中微子现在永远不会出现。“随着能量标度下降，”Tong说，“你会不断失去粒子，因为它们太重了，”因此只能在更高的能量下才可能存在。“随着能量标度下降，你会失去对这些粒子的了解。”如果我们继续遵循这个想法，在非常低的能量下只剩下一种粒子：光子。因为它们无质量，光子可以趋近于零能量。 很自然地想知道是否有可能进行完全统计。有多少*基本*自由度，包括那些在极高能量和极微观距离上我们可能永远无法探测到的自由度？这让我们回到了Tong告诉我的2011年那项令人着迷的计算，由Adam Schwimmer和Zohar Komargodski完成。 石溪大学的理论物理学家Komargodski向我解释了这一点。我刚才提到了一个趋势：随着我们在宇宙中缩小视野，我们能够检测到的有效自由度越来越少。1989年，物理学家John Cardy推测这是一个任何量子场论都必须遵守的不可违反的规则。这个规则已经在数学上被证明适用于一维空间加一维时间的量子场论，这些理论描述了沿直线运动的粒子。但像标准模型这样的理论（涉及三维空间加时间，称为3+1D）呢？ 魏茨曼科学研究所的物理学名誉教授Schwimmer和Komargodski证明了Cardy的猜想。他们的“a定理”在量子场论家中备受赞誉，指出在3+1D量子场论中，当你在空间上放大时，有效自由度的数量必须始终减少。他们通过探索量子场在四个不同位置受到引力拉扯时如何响应，证明了这是普遍成立的。 他们的证明也得出了一个关于在3+1D量子场论（如标准模型）中必须有多少个基本自由度的奇怪结论。证明表明，量子场不能有任何数量的变化。相反，只允许特定的数值：像希格斯场这样的标量场只有一个自由度。物质场每个必须有5.5个自由度。而力场每个有62个自由度。这些数字在数学上出现，与到目前为止我们一直讨论的特定粒子状态无关。“别的都不行，”Komargodski说。 “1、5½、62——它们从定理中跳出来，”他补充说。“我不知道为什么自然选择了这些。” Tong解释说，分数自由度（比如物质场拥有的那额外的半个自由度）是并非完全独立于其他场的变体。一个粒子可能的状态可能取决于另一个粒子的状态。“你朝那个方向一踢，突然就乱套了，场到处都是振荡，”他说。 因此，假设标准模型中每个标量场、物质场和力场各自的自由度数量，那总共有多少？Komargodski暂停了我们的谈话去问ChatGPT，提供了相关数字，然后检查了它的工作。答案：995.5。这显然就是标准模型中的自由度数。 我不禁感到困惑。显然这是普遍反应。 “这一切背后是这样一个说法：量子场论难以置信地难，而我们并不擅长它，”Tong说。“我们还有很多不了解的。” 就个人而言，我发现自己在有多少种粒子这个问题上是一个最大化主义者，尽管（或者说因为）这是通往神秘之路。但我也看到17的吸引力。