极微粒子的极端世界

自从电子被发现之后，人们探寻物质最小结构的这条路上就不断地取得成绩。到目前为止，人们已经发现了大约60种大小不同的粒子。由于这些粒子一度被认为是构成物质的最小最基本的单位，所以都把它们称为基本粒子。根据粒子之间作用力的不同，基本粒子可以分为强子、轻子和媒介粒子（也叫传播子）3大类。

现有粒子中绝大部分是强子，质子、中子、π介子等都属于强子。但是，这些强子本身还不是最小的粒子，它们还有自己复杂的内部结构。就目前的研究来看，强子都是由夸克组成的，而已发现的夸克有6种“味道”，它们是：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、顶夸克和底夸克。此外，每一种夸克还有3种“颜色”，每一种“颜色”的某种夸克还都存在一个对应的反夸克，这就是目前我们认识到的夸克一共有36种。

轻子就是只参与弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用，而不参与强相互作用的粒子的总称。已经发现的轻子包括3种，它们都带一个单位负电荷。这3种粒子是电子（e）、μ子（缪子）、τ子（陶子，重轻子），还有与它们分别对应的电子中微子、μ子中微子、τ子中微子。这3种不带电的中微子，分别以vμ、vτ表示。再加上以上6种粒子各自对应的反粒子，轻子一共有12种。

媒介粒子也属于基本粒子，它们是传递某种相互作用的媒介。传递强相互作用的粒子被称为“胶子”，共有8种；传递电磁相互作用的是光子，而传递弱相互作用的是W＋，W-和Z0。所以，媒介粒子一共有12种。

基本粒子要比原子或分子小得多，现有最高倍的电子显微镜也不能观察到。质子和中子的大小，只有原子的十万分之一；而轻子和夸克的尺寸更小，还不到质子和中子的万分之一。

粒子的质量是粒子的另外一个主要特征量。在这么多的粒子中，有一些粒子是没有质量的，有一些粒子有质量，但质量范围跨度很大。光子和胶子属于没有质量的，电子质量很小，π介子（一种质量介子电子和质子之间的粒子，属于一种强子）质量为电子质量的280倍；质子和中子都很重，接近电子质量的2000倍，已知最重的粒子是顶夸克。中微子的质量非常小，目前已测得的电子中微子的质量为电子质量的七万分之一，已非常接近零。

粒子的寿命也是粒子的一个主要特征量。电子、质子和中微子是稳定的，称为“长寿命”粒子；而其他绝大多数的粒子是不稳定的，都可以衰变。一个自由的中子会衰变成一个质子、一个电子和一个中微子；一个π介子衰变成一个μ子和一个中微子。粒子的寿命以强度衰减到一半的时间来定义（称为“半衰期”）。质子是最稳定的粒子，实验已测得的质子寿命大于1033年。而大部分的粒子的寿命是很短的，可以说瞬息即逝，也就是亿分之一秒，甚至还有更短的，一千万亿亿分之一秒。

夸克组成粒子示意图

粒子具有对称性，有一个粒子，一定存在一个相对应的反粒子。1932年物理学家安德森发现了一个与电子质量相同但带一个正电荷的粒子，也就是正电子。后来又有科学家发现了一个带负电、质量与质子完全相同的粒子，被叫做反质子；随后各种反夸克和反轻子也相继被发现。一对正粒子与反粒子相碰可以湮灭，变成携带能量的光子，即粒子的质量转变成了能量；反之，两个高能粒子碰撞时有可能产生一对新的正粒子与反粒子，即能量也可以转变成具有质量的粒子。