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基本粒子夸克電子質子中子內部結構模型圖解

作者: 張嘉年  [email protected]

摘要:

在粒子物理學中,「基本粒子」是組成物質的最基本的單位。但根據「超弦理論」,基本粒子實為「弦」的不同振動及形狀所組成,而「弦」內部的最終結構為帶正負電(磁)荷的“正負-弦位元”(見本文所有的粒子內部結構模型圖)。現今在「標準模型理論」的架構下,已知的基本粒子可以分為組成物質的費米子(包含夸克和輕子)以及傳遞力的玻色子(包含規范玻色子和希格斯玻色子)。現今最新的「超對稱理論」可以統一費米子及玻色子,即在高維空間下二者可互為轉換(但因至今高維空間及超對稱粒子,尚未發現,故本文暫不討論)。而在GUT大統一理論下費米子中的夸克和輕子也是可以統一互為轉換的(圖一)。我們日常生活中的物質是由最大的費米子-原子所組成,原子由電子和原子核所組成,原子核又由質子(含2個上夸克、1個下夸克)和中子(含2個下夸克、1個上夸克)所組成(圖二)。傳遞力的(規范)玻色子有四種:1傳遞電磁力的光子(圖三)、2傳遞引(重)力的引(重)力子(圖四)、3傳遞核強力的膠子(圖五)、4傳遞核弱力的弱玻色子(圖六),最后還有一種賦予所有粒子質量的希格斯玻色子(圖七)。物質宇宙就是由上述這些物質性的費米子以及傳遞力的玻色子所構成。

關鍵詞:基本粒子 超弦理論 標準模型 超對稱 費米子 玻色子 規范玻色子 希格斯玻色子 夸克輕子 費米-狄拉克統計 玻色-愛因斯坦統計 自旋量子數 禁閉態 束縛態 包利不兼容原理 希格斯機制 希格斯場

一.兩種費米子:強子(夸克)、輕子(中微子、電子)內部結構模型解析

我們的宇宙由兩大類粒子所組成,即構成物質的費米子和在費米子間傳遞作用力的玻色子(玻色子在主文三解析)。而費米子又可分為由夸克組成的強子及由電子,中微子組成的輕子兩大類。所謂強子就是所有只參與宇宙四大作用力(強作用力,弱作用力,電磁力,引力)中的強作用力的粒子總稱。強作用力是只作用于原子核內部的力,其范圍只有10-12至10-16公分,是一種「禁閉態」的「束縛力」。但輕子確相反,是一類只參與弱力、電磁力和引力,而不參與強作用力的粒子的總稱。其范圍自10-16公分(弱力范圍)擴散至全宇審(電磁力和引力范圍),是一種「自由態」的「擴散力」。

包含「夸克」及「輕子」的「費米子」,其定義如下:

費米子(fermion)指按「費米-狄拉克」統計:角動量的「自旋量子數」為1/2, 3/2, 5/2, 7/2…等

為「半奇數」的粒子,并且服從「包利不兼容原理」(Pauli exclusion principle),即2

個以上費米子不能處于相同量子態,亦即不能占據同一空間,但玻色子卻可以。

「夸克族」及「輕子族」彼此間可互為轉換(衰變),其互為轉換(衰變)模式如下圖所示:

夸克和輕子(中微子、電子)互為轉換-內部結構模型圖(圖一)

圖中+-號代表不可分割的正負電(磁)荷最基本單位元,稱為:弦位元(比特)

上圖注解:

1.微中子是「自由態」(擴散態)的上夸克, 反之,上夸克是「禁閉態」(束縛態)的微中子。

2.電子是「自由態」」(擴散態)的下夸克, 反之, 下夸克是「禁閉態」(束縛態)的電子。

3.輕子(中微子、電子)是「相位擴張態」的強子(夸克),故能遠距傳播。

4.強子(夸克)是「相位收縮態」的輕子(微中子,電子),故禁閉在10-16cm的空間內。

5.微中子與反微中子的內部中心為相連的「零點能真空場」(正,負弦位元電荷相抵=0),

但極化為陰陽二極,故自旋相反,而外圈為閉弦態引(重)力子,故呈電中性,且能遠距傳播。

二. 中子、質子及介子內部結構模型分析

(一).強子的分類及其中電荷分布關系

強子類-分為以「膠子」連結三個「夸克」所組成之重子族(含質子、中子、超子

比中子,質子還重之重子)及以「膠子」連結二個「夸克」所組成之介子族(p介子、各

種重介子)。

強子類中的重子家族(中子,質子,超子)中,每個重子含:3個夸克,每個夸克又含:4

條希格斯玻色子,因此每個重子共含:12條希格斯玻色子.以中子,質子為例,其內部

電荷結構分析如下:

1.中子含1個上夸克-4條陽希格斯玻色子,2個下夸克含-4條陰希格斯玻色子及4條中性希格斯玻色子,正負電荷相抵=0故中子為電中性. 而1個下夸克的2條陰希格斯玻色子與1個上夸克的4條陽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(-號僅代表相反電荷,并非負的電荷或負的能量)

2.質子含2個上夸克共-8條陽希格斯玻色子,1個下夸克-2條陰希格斯玻色子,2條中性希格斯玻色子,正負電荷相抵后剩6條陽希格斯玻色子,正好占-總數「12條希格斯玻色子」的一半(物理規律-正負電荷分配各占一半),故而質子帶正電荷.

【至于-反中子與反質子則與上同理,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,可按上圖自行比對,故不再贅述】

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:每個夸克內的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條分弦的端點為同電荷且多數電荷同朝「內」,下夸克為多數電荷同朝「外」,如此相位排列為第一色(參考藍夸克).

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

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

因為在「超高溫」或「超低溫」時,正(陽)負(陰)弦,粒子,會有不同的

相引或相斥運動,如此相位排列,才可使弦,粒子有效的轉動,組合,分裂.

中子、質子及介子-內部結構模型圖(圖二)

(二).中子、質子內部的質量分布關系

中子為以三條「膠子」連結1個「上價夸克」(價夸克為強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電子一様)及2個「下價夸克」所組成之

重子,而質子為以三條「膠子」連結2個「上價夸克」及1個「下價夸克」所組成之

重子。

宇宙中包括費米子及玻色子(光子、引力子、膠子除外)的所有粒子質量均來源于希格斯場,因希格斯場外圍疊加「負能量(負質量)場」(圖七),「負能量場(負質量)」也就是愛因斯坦廣義相對中的宇宙學常數Λ,「負能量(負質量)」能抵消及分散夸克的能量(質量),故下價夸克能量僅7MeV,而上價夸克能量僅5MeV,而3個價夸克組成的中子,質子之能量竟然為939.6MeV及938.3eV,但3個夸克加起來能量最多也只有21MeV. 若是沒有「負能量場」吸收(正)能量,則上述事實將完全矛盾無解,這又稱為「反遮蔽效應」.一個重子之內疊加了眾多的「海夸克」(見下表),但「反遮蔽效應」的范圍僅在10-16cm之內,大于此范圍,能量就會漸漸顯現出來,因此直徑為10-13cm的中子,質子就顯現出相對的大能量(質量),故而我們所偵測到的3個價夸克實際上僅是能量及電荷經「正負相抵」后的「微量差額-顯現」,這就像浮出海面的小島,從空中看來是個小島,但從深海底來看,卻是連接地球(地球好比希格斯場)的巨山。

中子、質子及介子內部結構模型表(表一)

橫向連結

n中子

(核子)

超子

(p)介子

p質子

(核子)

超子

橫向連結

笫一族

d下夸克

1(價夸克)

=e-電子

笫三族

d下夸克

15(價夸克)

=e-電子

笫三族

d-反下夸克

=4條膠子=

=e+正電  23

笫三族

d下夸克   49(價夸克)

=e-電子

u-反上夸克 2(海夸克)

=v-反微中子

d-反下夸克

16(海夸克)

=e+正電子

d下夸克

=4條膠子

=e-電子24

d-反下夸克

50(海夸克)

=e+正電子

笫一族

3u上夸克

(價←→海)

笫二族

u上夸克

9(價夸克)

d下夸克

17(海夸克)

d-反下夸克

25(價夸克)

笫一族

u-反上夸克

31(價夸克)

笫一族

u上夸克37(價夸克)

笫二族

u上夸克43(價夸克)

d下夸克

51(海夸克)

d-反下夸克

4(海夸克)

d-反下夸克10(海夸克)

u-反上夸克

18(海夸克)

u上夸克

26(海夸克)

d下夸克

32(海夸克)

d-反下夸克

38(海夸克)

d-反下夸克

44(海夸克)

u-反上夸克

52(海夸克)

s奇夸克

5(海夸克)

s奇夸克

11(海夸克)

c粲夸克

19(海夸克)

c-反粲夸克

27(海夸克)

s-反奇夸克

33(海夸克)

s奇夸克

39(海夸克)

s奇夸克

45(海夸克)

c粲夸克

53(海夸克)

c-反粲夸克

6(海夸克)

c-反粲夸克

12(海夸克)

s-反奇夸克

20(海夸克)

s奇夸克

28(海夸克)

c粲夸克

34(海夸克)

c-反粲夸克

40(海夸克)

c-反粲夸克

46(海夸克)

s-反奇夸克

54(海夸克)

t頂夸克

7(海夸克)

t頂夸克

13(海夸克)

b底夸克

21(海夸克)

b-反底夸克

29(海夸克)

t-反頂夸克

35(海夸克)

t頂夸克

41(海夸克)

t頂夸克

47(海夸克)

b底夸克

55(海夸克)

t-反頂夸克

8(海夸克)

b-反底夸克

14(海夸克)

t-反頂夸克

22(海夸克)

t頂夸克

30(海夸克)

t頂夸克

36(海夸克)

t-反頂夸克

42(海夸克)

b-反底夸克

48(海夸克)

t-反頂夸克

56(海夸克)

海夸

克底

(負能量真真空埸)-希格斯埸-正能量假真空埸-(負能量真真空埸)

海夸

克底

三.五種玻色子內部結構模型圖解析

玻色子(boson)指按玻色-愛因斯坦統計,角動量的「自旋量子數」為0,1,2..等為「整數」的粒子。玻色子不服從「泡利不兼容原理」,即多個玻色子可以同時占有同樣量子態(即可以同時占有同一空間),即在低溫時可以發生玻色-愛因斯坦凝聚。

玻色子可再分為二類:

(一).規范玻色子,有4種

1.光子-電磁相互作用的媒介粒子,自旋為1,只有1種(圖三)。

2.引力子-引力相互作用的媒介粒子,自旋為2,只有1種,尚未被發現(圖四)。

3.膠子-強相互作用的媒介粒子,自旋為1,有8種(圖五)。

4.W 及 Z 玻色子 - 弱相互作用的媒介粒子,自旋為1,有3種(圖六)。

(二).希格斯玻色子-通過希格斯機制將質量給予其它粒子,自旋為0,可能有五種

但目前只發現1種(圖七)。

以下即五種玻色子內部結構模型圖解析:

傳遞電磁力的光子-內部結構模型圖(圖三)

傳遞引(重)力的引(重)力子-內部結構模型圖(圖四)

傳遞核強力的膠子-內部結構模型圖(圖五)

傳遞核弱力的玻色子-內部結構模型圖(圖六)

賦與粒子質量的希格斯場-內部結構模型圖(圖七)

宇宙中所有粒子在網狀希格斯場中運動產生的阻力即成為粒子的質量

(同為開弦態之光子;膠子及超微小之引(重)力子不受該場影響,質量仍為零)

結論:

現今在描述所有基本粒子的「標準模型理論」架構下,宇宙中有兩大類粒子:即

一.組成物質的費米子(包含夸克和輕子)以及

二.傳遞力的玻色子(包含規范玻色子和希格斯玻色子)共有62種,其中包括:

(一).強子:六味(即三代夸克),三色(紅綠藍),正反夸克,共36種(6 ×3×2=36);

(二).輕子:正反六種(即三代電子和中微子)輕子,共12種(2×6 =12);

(三).規范玻色子:八種膠子;三種弱玻色子(W+W+及Z0);一種光子;一種引力子(尚未發現),

共13種(8+3+1+1=13);

(四).希格斯玻色子(剛發現了1種,可能有五種)。

這62種基本粒子中,可統一費米子及玻色子的「超對稱理論」,因至今高維空間及超對稱粒子,尚未發現,故暫不討論。但在GUT大統一理論下及在無數超大型加速器中,強子與輕子對撞的實驗結果證明: 強子(夸克) 與 輕子(電子、中微子)是可以互為轉換的(圖一),

其轉換模式如下:

中微子?互為轉換?上型夸克        電子?互為轉換?下型夸克

反中微子?互為轉換?反上型夸克   正電子?互為轉換?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」內的DNA。

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