原子核含有中子和質子,質子由兩個上誇克和一個下誇克組成,而中子由兩個下誇克和一個上誇克組成。這兩種類型的誇克有兩個電荷值:上誇克的電荷為 2/3,下誇克的電荷為-1/3。因此,如果我們把它們相加,就可以得到質子的總電荷是 1,而中子的總電荷為零。
我們在标準模型中有兩類物質粒子——輕子和誇克,物質粒子具有自旋這種特殊特性,它們可以順時針或逆時針旋轉。并且根據粒子相對于其運動方向的自旋方式,它被分類為右手或左手粒子。手性是很重要的,因為事實證明它對粒子如何相互作用非常重要。
左手上誇克和下誇克可以通過弱力相互轉化,這就是所謂的帶電弱力的相互作用,由帶 1電荷的W 玻色子或帶-1電荷的W-玻色子介導。現在由于某些未知的原因,自然界不會以相同的方式對待右手粒子,例如前面所述的相互作用不會發生在右手上誇克和下誇克上。這意味着右手誇克不能變成其他誇克,并且不存在帶電弱相互作用。
誇克還有另一種稱為色荷的電荷,或者更準确地說,每種誇克都以紅、藍、綠三種不同的顔色存在。色荷允許誇克通過自然界的另一種基本力——強力相互作用。強力是由另一種稱為膠子的玻色子介導的,這種強相互作用将3個不同顔色的誇克結合在一起,在原子核中形成質子或中子。
我們可以通過顯示不同顔色之間的三角形來表示這種力。請注意,左手和右手粒子的三角形是相同的,因為強力與弱力不同,不區分右手粒子和左手粒子,它以同樣的方式處理兩種類型的粒子。這些誇克的顔色通過發射和吸收膠子而不斷變化,但是所有三個誇克都必須是三種不同的顔色:紅色、綠色和藍色,這樣才能形成中性或無色電荷。三個誇克中沒有兩個可以同時具有相同的顔色。
我們知道誇克本身是無法觀察到的,理論告訴我們隻能觀察到無色顆粒。無色顆粒有多種形成方式,例如可以将三種不同顔色的誇克(紅色、綠色和藍色)組合成一個中性顔色,如可觀察到的中子和質子。或者可以結合誇克和反誇克:反誇克持有反色,有反紅、反綠和反藍反誇克。當誇克與反誇克結合時,形成的粒子稱為介子。
這些顔色基礎來自強力,這種強力是由一種叫做膠子的粒子介導的。就像膠水一樣,它把誇克緊緊地粘在一起。有8種不同的膠子具有不同的顔色組合,它們充當顔色從一種誇克傳輸到另一種誇克的機制,這種顔的色轉移是将誇克保持在一起的原因。膠子不是無色的,但在理論上可以把它們結合起來,這樣就可以制作一個無色膠子的複合球。但到目前為止,還沒有人發現膠子球的存在。
同樣,就電荷而言,我們有兩種類型的輕子。我們有帶-1電荷的電子,以及電荷為0的中微子。就像左手上誇克和下誇克一樣,帶電的弱力可以将左手電子和中微子相互轉化。雖然左手和右手電子都存在,但對于中微子來說,由于某種未知的原因,隻存在左手中微子,右手中微子從未被發現。與誇克不同,輕子沒有任何色荷,因此不受強力的影響。這種缺乏色荷是輕子和誇克之間的主要區别之一。
出于某種奇怪和未知的原因,宇宙似乎包含三代粒子。到目前為止我們讨論的隻是第一代物質粒子,但還有兩代。每一代都包含相同數量的粒子,各代之間的唯一區别是:第二代粒子比第一代粒子重,第三代比第二代重,除此之外我們無法分辨其他差異。
事實證明,左手誇克不僅可以在同一代内的粒子之間轉換,還可以跨代轉換成質量較小的粒子。例如第二代更重版本的粲誇克,它可以衰變為第一代下誇克。就輕子而言,理論上沒有什麼可以阻止它們在不同代的粒子之間轉換,但迄今為止,從未觀察到這種情況。這個是目前的研究領域,有迹象表明這種轉變可以存在。
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