基本粒子夸克电子质子中子内部结构模型图解

摘 要：在粒子物理学中，「基本粒子」是组成物质的最基本的单位。但根据「超弦理论」，基本粒子实为「弦」的不同振动及形状所组成，而「弦」内部的最终结构为带正负电（磁）荷的“正负-弦位元”（见文章所有的粒子内部结构模型图）。现今在「标准模型理论」的架构下，已知的基本粒子可以分为组成物质的费米子（包含夸克和轻子）以及传递力的玻色子（包含规范玻色子和希格斯玻色子）。现今最新的「超对称理论」可以统一费米子及玻色子，即在高维空间下二者可互为转换（但因至今高维空间及超对称粒子，尚未发现，故文章暂不讨论）。而在GUT大统一理论下费米子中的夸克和轻子也是可以统一互为转换的（图1）。我们日常生活中的物质是由最大的费米子-原子所组成，原子由电子和原子核所组成，原子核又由质子（含2个上夸克、1个下夸克）和中子（含2个下夸克、1个上夸克）所组成（图2）。传递力的（规范）玻色子有四种：（1）传递电磁力的光子（图3）、（2）传递引（重）力的引（重）力子（图4）、（3）传递核强力的胶子（图5）、（4）传递核弱力的弱玻色子（图6），最后还有一种赋予所有粒子质量的希格斯玻色子（图7）。物质宇宙就是由上述这些物质性的费米子以及传递力的玻色子所构成。

关键词：基本粒子；超弦理论；标准模型；超对称；费米子；玻色子；规范玻色子；希格斯玻色子

1 两种费米子：强子（夸克）、轻子（中微子、电子）内部结构模型解析

我们的宇宙由两大类粒子所组成，即构成物质的费米子和在费米子间传递作用力的玻色子（玻色子在文章第三解析）。而费米子又可分为由夸克组成的强子及由电子，中微子组成的轻子两大类。所谓强子就是所有只参与宇宙四大作用力（强作用力，弱作用力，电磁力，引力）中的强作用力的粒子总称。强作用力是只作用于原子核内部的力，其范围只有10-12至10-16公分，是一种「禁闭态」的「束缚力」。但轻子确相反，是一类只参与弱力、电磁力和引力，而不参与强作用力的粒子的总称。其范围自10-16公分（弱力范围）扩散至全宇审（电磁力和引力范围），是一种「自由态」的「扩散力」。

包含「夸克」及「轻子」的「费米子」，其定义如下：

费米子（fermion）指按「费米-狄拉克」统计：角动量的「自旋量子数」为1/2， 3/2， 5/2， 7/2…等为「半奇数」的粒子，并且服从「包利不兼容原理」（Pauli exclusion principle），即2个以上费米子不能处于相同量子态，亦即不能占据同一空间，但玻色子却可以。

「夸克族」及「轻子族」彼此间可互为转换（衰变），其互为转换（衰变）模式如图1所示：

2 中子、质子及介子内部结构模型分析

2.1 强子的分类及其中电荷分布关系

强子类-分为以「胶子」连结三个「夸克」所组成之重子族（含质子、中子、超子-比中子，质子还重之重子）及以「胶子」连结二个「夸克」所组成之介子族（介子、各种重介子）。

强子类中的重子家族（中子，质子，超子）中，每个重子含：3个夸克，每个夸克又含：4条希格斯玻色子，因此每个重子共含：12条希格斯玻色子。以中子，质子为例，其内部电荷结构分析如下。

2.1.1 中子含1个上夸克-4条阳希格斯玻色子，2个下夸克含-4条阴希格斯玻色子及4条中性希格斯玻色子，正负电荷相抵=0故中子为电中性。而1个下夸克的2条阴希格斯玻色子与1个上夸克的4条阳希格斯玻色子的总合比例为：1/3比2/3，故下夸克的电荷为-1/3，而上夸克的电荷为+2/3（-号仅代表相反电荷，并非负的电荷或负的能量）。

2.1.2 质子含2个上夸克共-8条阳希格斯玻色子，1个下夸克-2条阴希格斯玻色子，2条中性希格斯玻色子，正负电荷相抵后剩6条阳希格斯玻色子，正好占-总数「12条希格斯玻色子」的一半（物理规律-正负电荷分配各占一半），故而质子带正电荷。

【至于-反中子与反质子则与上同理，只是电荷相反为：反上夸克电荷为-2/3，反下夸克电荷为+1/3，可按图2自行比对，故不再赘述】

2.1.3 所谓的3「色」夸克，绝非指「颜色」有3种，而是指「排列的相位」有3种：每个夸克内的4条希格斯玻色子共有8条分弦，按排列的相位不同而分为3色：

（1）上夸克8条分弦的端点为同电荷且多数电荷同朝「内」，下夸克为多数电荷同朝「外」，如此相位排列为第一色（参考蓝夸克）。

（2）上夸克8条分弦的端点为同电荷且多数电荷同朝「外」，下夸克为多数电荷同朝「内」，如此相位排列为第二色（参考红夸克）。

（3）上下夸克8条分弦的端点为相反电荷，而相对的位置-4条分弦朝「内」，4条分弦朝「外」，如此相位排列则为第三色（参考绿夸克）。

因为在「超高温」或「超低温」时，正（阳）负（阴）弦，粒子，会有不同的相引或相斥运动，如此相位排列，才可使弦，粒子有效的转动，组合，分裂。

2.2 中子、质子内部的质量分布关系

中子为以三条「胶子」连结1个「上价夸克」（价夸克为强子中最外或上层的夸克，其下尚叠加三代海夸克，这与原子中最外层之价电子一样）及2个「下价夸克」所组成之重子，而质子、为以三条「胶子」连结2个「上价夸克」及1个「下价夸克」所组成之重子。

宇宙中包括费米子及玻色子（光子、引力子、胶子除外）的所有粒子质量均来源于希格斯场，因希格斯场外围叠加「负能量（负质量）场」（图7），「负能量场（负质量）」也就是爱因斯坦广义相对中的宇宙学常数Λ，「负能量（负质量）」能抵消及分散夸克的能量（质量），故下价夸克能量仅7eV，而上价夸克能量仅5eV，但3个价夸克组成的中子，质子之能量竟然为939.6eV及938.3eV，但3个夸克加起来能量最多也只有21eV。若是没有「负能量场」吸收（正）能量，则上述事实将完全矛盾无解，这又称为「反遮蔽效应」。一个重子之内叠加了众多的「海夸克」（见表1），但「反遮蔽效应」的范围仅在10-16cm之内，大于此范围，能量就会渐渐显现出来，因此直径为10-13cm的中子，质子就显现出相对的大能量（质量），故而我们所侦测到的3个价夸克实际上仅是能量及电荷经「正负相抵」后的「微量差额-显现」，这就像浮出海面的小岛，从空中看来是个小岛，但从深海底来看，却是连接地球（地球好比希格斯场）的巨山。endprint

3 五种玻色子内部结构模型图解析

玻色子（boson）指按玻色-爱因斯坦统计，角动量的「自旋量子数」为0，1，2..等为「整数」的粒子。玻色子不服从「泡利不兼容原理」，即多个玻色子可以同时占有同样量子态（即可以同时占有同一空间），即在低温时可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。

玻色子可再分为二类：

（1）规范玻色子，有四种

a.光子-电磁相互作用的媒介粒子，自旋为1，只有一种（图3）。b.引力子-引力相互作用的媒介粒子，自旋为2，只有一种，尚未被发现（图4）。c.胶子-强相互作用的媒介粒子，自旋为1，有八种（图5）。d.W及Z玻色子-弱相互作用的媒介粒子，自旋为1，有三种（图6）。

（2）希格斯玻色子-通过希格斯机制将质量给予其它粒子，自旋为0，可能有五种但目前只发现一种（图7）。

以下即五种玻色子内部结构模型图解析：

宇宙中所有粒子在网状希格斯场中运动产生的阻力即成为粒子的质量（同为开弦态之光子；胶子及超微小之引（重）力子不受该场影响，质量仍为零）

4 结束语

现今在描述所有基本粒子的「标准模型理论」架构下，宇宙中有两大类粒子：即组成物质的费米子（包含夸克和轻子）以及传递力的玻色子（包含规范玻色子和希格斯玻色子）共有六十二种，其中包括：

（1）强子：六味（即三代夸克），三色（红绿蓝），正反夸克，共三十六种（6×3×2=36）；（2）轻子：正反六种（即三代电子和中微子）轻子，共十二种（2×6=12）；（3）规范玻色子：八种胶子；三种弱玻色子（W+W+及Z0）；一种光子；一种引力子（尚未发现），共十三种（8+3+1+1=13）；（4）希格斯玻色子（刚发现了一种，可能有五种）。

这六十二种基本粒子中，可统一费米子及玻色子的「超对称理论」，因至今高维空间及超对称粒子，尚未发现，故暂不讨论。但在GUT大统一理论下及在无数超大型加速器中，强子与轻子对撞的实验结果证明： 强子（夸克） 与 轻子（电子、中微子）是可以互为转换的（图1）。

其转换模式如下：

中微子←互为转换→上型夸克

电子←互为转换→下型夸克

反中微子←互为转换→反型上夸克

正电子←互为转换→反下型夸克。

另外基本粒子并不基本，而是由弦的不同振动及形状所组成，其中弦的基本单元是「弦位元」，故而「弦位元」就是「基本粒子」内的DNA。

参考文献

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作者简介：张嘉年（1965，3-），男，中国台湾，本科，台商，宇宙物理学研究者，物理讲师，研究方向：量子力学，粒子物理，超炫理论，宇宙学相对论。endprint