Fundamental particles · 基本粒子
| English | 中文 | Pinyin · 拼音 |
|---|---|---|
| fundamental particles/ˌfʌndəˈmentl ˈpɑːtɪklz/ | 基本粒子 | jī běn lì zi |
| quarks/kwɑːks/ | 夸克 | kuā kè |
| flavours/ˈfleɪvəz/ | 味 | wèi |
| antiquark/ˈæntɪkwɑːk/ | 反夸克 | fǎn kuā kè |
| hadrons/ˈhædrɒnz/ | 强子 | qiáng zi |
| baryons/ˈbæriɒnz/ | 重子 | zhòng zǐ |
| mesons/ˈmiːzɒnz/ | 介子 | jiè zi |
| leptons/ˈleptɒnz/ | 轻子 | qīng zi |
Inside the proton
- Protons and neutrons feel solid — but they are not fundamental particles 基本粒子.
- Each is built from smaller point-like particles called quarks 夸克.
- Some particles have no smaller parts; those are the truly fundamental ones.
质子的内部
- 质子和中子看起来是实心的——但它们 不是 基本粒子(fundamental particles)。
- 每一个都由更小的点状粒子——夸克(quarks)——构成。
- 有些粒子没有更小的组成部分;那些才是真正基本的。
Fundamental particle lab · 基本粒子实验室
Sort particles by the family or interaction that defines them. · 根据定义它们的族系或相互作用对粒子进行排序。
Quarks
- Six flavours 味. Up, charm, top have charge $+\tfrac{2}{3}e$; down, strange, bottom have $-\tfrac{1}{3}e$.
- Each has an antiquark 反夸克 with the opposite charge.
The six quark flavours: up-type carry +⅔e, down-type carry −⅓e
夸克
- 六种 味(flavours)。上、粲、顶的电荷为 $+\tfrac{2}{3}e$;下、奇、底的电荷为 $-\tfrac{1}{3}e$。
- 每种都有电荷相反的 反夸克(antiquark)。
六种夸克味:上型带 +⅔e,下型带 −⅓e
What is the charge on an up quark? · 上夸克的电荷是多少？
Up-type quarks (up, charm, top) carry $+\tfrac{2}{3}e$; down-type (down, strange, bottom) carry $-\tfrac{1}{3}e$. · 上型夸克（上、粲、顶）携带 $+\tfrac{2}{3}e$；下型（下、奇、底）携带 $-\tfrac{1}{3}e$。
Hadrons 强子: baryons 重子 and mesons 介子
- Particles built from quarks are hadrons.
- Baryons = three quarks; mesons = a quark and an antiquark.
强子:重子与介子
- 由夸克构成的粒子是 强子(hadrons)。
- 重子(baryons) = 三个夸克;介子(mesons) = 一个夸克和一个反夸克。
Match each hadron to what it is made of. · 将每种强子与其组成成分匹配。
Protons and neutrons are baryons (three quarks); a pion is a meson (quark + antiquark). · 质子和中子是重子（三个夸克）；π介子是介子（夸克+反夸克）。
Proton and neutron
- Proton = u u d: charge $\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$.
- Neutron = u d d: charge $\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$.
质子与中子
- 质子 = u u d:电荷 $\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$。
- 中子 = u d d:电荷 $\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$。
A proton is made of which quarks? · 质子由哪些夸克组成？
Proton = u u d, giving charge $\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$. · 质子 = u u d，给出电荷 $\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$。
A neutron is u d d. What is its total charge, in units of $e$? · 中子是 u d d。其总电荷是多少（以 $e$ 为单位）？
$\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$ — the neutron is uncharged. · $\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$ —— 中子不带电。
Worked example: the quarks in an α-particle
An α-particle is two protons and two neutrons. Show, using quarks, that each hadron in it has charge $0$ or $+e$, and find the total quark content.
- Each proton is uud: $\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$, so charge $+e$. It is a baryon (three quarks).
- Each neutron is udd: $\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$. Also a baryon.
- Whole α-particle: up quarks $2 \times 2 + 2 \times 1 = 6$; down quarks $2 \times 1 + 2 \times 2 = 6$.
- Check: $6\left(+\tfrac{2}{3}\right) + 6\left(-\tfrac{1}{3}\right) = 4 - 2 = +2$, the α-particle's charge of $+2e$.
例题:α 粒子中的夸克
α 粒子由两个质子和两个中子组成。用夸克说明其中每个强子的电荷为 $0$ 或 $+e$,并求总的夸克组成。
- 每个质子 是 uud:$\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$,所以电荷 $+e$。它是 重子(三个夸克)。
- 每个中子 是 udd:$\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$。也是重子。
- 整个 α 粒子: 上夸克 $2 \times 2 + 2 \times 1 = 6$ 个;下夸克 $2 \times 1 + 2 \times 2 = 6$ 个。
- 检查: $6\left(+\tfrac{2}{3}\right) + 6\left(-\tfrac{1}{3}\right) = 4 - 2 = +2$,即 α 粒子的电荷 $+2e$。
A helium-3 nucleus contains two protons and one neutron. How many down · 下 quarks does it contain? · 氦-3 原子核包含两个质子和一个中子。它含有多少个 下 夸克？
Each proton (uud) has one down quark and the neutron (udd) has two: $1 + 1 + 2 = 4$. · 每个质子 (uud) 有一个下夸克，中子 (udd) 有两个：共 $1 + 1 + 2 = 4$ 个。
β-decay in quark terms
- β$^{-}$: a neutron becomes a proton — a down quark turns into an up quark.
- β$^{+}$: a proton becomes a neutron — an up quark turns into a down quark.
β⁻ decay up close: one down quark flips to an up quark, so a neutron becomes a proton
用夸克描述 β 衰变
- β$^{-}$:中子变成质子——一个 下夸克变成上夸克。
- β$^{+}$:质子变成中子——一个 上夸克变成下夸克。
近距离看 β⁻ 衰变:一个下夸克翻转为上夸克,于是中子变成质子
In β$^{-}$ decay, which quark change happens? · 在 β$^{-}$ 衰变中，发生哪种夸克变化？
A neutron (u d d) becomes a proton (u u d): one down → up, emitting a $\beta^{-}$ and an antineutrino. · 一个中子 (u d d) 变为质子 (u u d)：一个 下→上 转变，同时发射一个 $\beta^{-}$ 和一个反中微子。
Leptons 轻子 and what's fundamental
- Leptons (electrons, neutrinos) are fundamental and are not made of quarks.
- Fundamental: quarks, electrons, positrons, neutrinos. Not fundamental: protons, neutrons, mesons (all hadrons).
Particles sort into hadrons (made of quarks) and leptons (fundamental, not made of quarks)
轻子与什么是基本的
- 轻子(leptons)(电子、中微子)是基本粒子,不 由夸克构成。
- 基本的:夸克、电子、正电子、中微子。不基本的:质子、中子、介子(所有强子)。
粒子分为强子(由夸克构成)和轻子(基本粒子,不由夸克构成)
Select all · 所有 the particles that are fundamental. · 选择 所有 属于 基本 的粒子。
Quarks and leptons (electron, neutrino) are fundamental. Protons and mesons are hadrons — made of quarks. · 夸克和轻子（电子、中微子）是基本的。质子和介子是强子——由夸克组成。
An electron is a lepton and is not made of quarks. · 电子是轻子，不是由夸克组成的。
Leptons (electrons and neutrinos) are fundamental particles, not built from quarks. · 轻子（电子和中微子）是基本粒子，不是由夸克构成的。
Worked example: a neutral meson
Particle Q is a meson with zero charge. It has a mass of $0.67\ \text{u}$ and a kinetic energy of $2.1 \times 10^{-16}\ \text{J}$.
- A possible composition: a quark with its own antiquark, for example $\text{u}\bar{\text{u}}$: $+\tfrac{2}{3} - \tfrac{2}{3} = 0$. ($\text{d}\bar{\text{d}}$ would also work.)
- Why not two quarks? A meson is always a quark and an antiquark; two quarks together are not a meson.
- Speed: $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2}mv^{2}$ with $m = 0.67 \times 1.66 \times 10^{-27} = 1.1 \times 10^{-27}\ \text{kg}$, so $v = \sqrt{\dfrac{2 \times 2.1 \times 10^{-16}}{1.1 \times 10^{-27}}} = 6.1 \times 10^{5}\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$.
- Check: well below the speed of light, so the ordinary kinetic-energy formula is fine to use.
例题:一个中性介子
粒子 Q 是一个电荷为零的介子。它的质量为 $0.67\ \text{u}$,动能为 $2.1 \times 10^{-16}\ \text{J}$。
- 一种可能的组成: 一个夸克和它自己的反夸克,例如 $\text{u}\bar{\text{u}}$:$+\tfrac{2}{3} - \tfrac{2}{3} = 0$。($\text{d}\bar{\text{d}}$ 也可以。)
- 为什么不是两个夸克? 介子总是一个夸克 加一个反夸克;两个夸克放在一起不是介子。
- 速率: $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2}mv^{2}$,其中 $m = 0.67 \times 1.66 \times 10^{-27} = 1.1 \times 10^{-27}\ \text{kg}$,所以 $v = \sqrt{\dfrac{2 \times 2.1 \times 10^{-16}}{1.1 \times 10^{-27}}} = 6.1 \times 10^{5}\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$。
- 检查: 远低于光速,所以用普通的动能公式没有问题。
A meson is made of a quark and an ____. · 介子由一个夸克和一个 ____ 组成。
Mesons are quark–antiquark pairs; baryons are three quarks. A neutral meson pairs a quark with an antiquark of the opposite charge, such as up with anti-up. · 介子是夸克-反夸克对；重子是三个夸克。中性介子将一个夸克与带相反电荷的反夸克配对，例如上与反上。
"Fundamental" means not made of anything smaller: quarks and leptons are; protons, neutrons and every other hadron are not. Antiquarks carry the opposite charge, so a neutral meson pairs a quark with the matching antiquark. In β$^{-}$ decay the quark change is d → u — a charge rise of $+1$ that the emitted electron's $-1$ balances — and the electron is created in the decay, not released from an orbit.
"基本"意味着 不由更小的东西构成:夸克和轻子是;质子、中子和其他所有强子不是。反夸克带 相反 的电荷,所以中性介子把一个夸克和与之匹配的反夸克配在一起。在 β$^{-}$ 衰变中夸克的变化是 d → u——电荷增加 $+1$,由发射出的电子的 $-1$ 来平衡——而这个电子是在衰变中 产生 的,不是从轨道上释放的。
You've got it
- quarks are fundamental (up-type $+\tfrac{2}{3}e$, down-type $-\tfrac{1}{3}e$; antiquarks opposite)
- baryons = 3 quarks (proton uud, neutron udd); mesons = quark + antiquark; a nucleus's quarks are just its protons' and neutrons' added up
- in β$^{-}$ decay a down quark → up quark; leptons (electron, neutrino) are fundamental
你掌握了
- 夸克 是基本粒子(上型 $+\tfrac{2}{3}e$,下型 $-\tfrac{1}{3}e$;反夸克相反)
- 重子 = 3 个夸克(质子 uud,中子 udd);介子 = 夸克 + 反夸克;原子核的夸克就是它的质子和中子的夸克相加
- 在 β$^{-}$ 衰变中 下夸克 → 上夸克;轻子(电子、中微子)是基本粒子