基本粒子可以再分吗？ 第1页

不可以。

如果可以再分，那么就说明这个“基本粒子”不够基本。

而判定一个粒子是不是“基本粒子”，最重要的是在实验中寻找证据。

而实验手段和精度是随着技术的进步而提高的。

也就是说，“基本粒子”并不是一个绝对的概念，现在认为是基本粒子的粒子，很有可能之后会发现由更基本的粒子组成。

比如，在几百年前，人们认为所有物质都是由原子构成的，在那时候，原子就是一个基本粒子的概念。

到了在20世纪初，人们就发现了原子结构，即原子是由带正电的原子核和带负电的电子构成的。在英国物理学家詹姆斯·查德威克于1932年发现中子后，人们明确了原子核是由带正电的质子和不带电的中子构成。

此时，人们只发现了质子、中子、电子三种费米子。不同数量的质子和中子构成了不同的原子核，再结合对应数量的电子，就能构成各种各样的原子，进而组成世间万物。所以，认为质子、中子以及电子是基本粒子，是非常自然的事情。

那么，基于怎么样的事实，人们认为质子和中子不是基本粒子呢？

1、“强子周期表”

从20世纪40年代后期，人们在实验中发现质子和中子之外的强子（参与强相互作用的粒子叫做强子，质子和中子就属于强子），比如说 介子和奇异粒子。

到了1954年，位于美国布鲁克海文国家试验3GeV质子同步加速器建成工作，人们开始能够在实验中产生新粒子。随着加速器的应用，新发现的强子陡然增加，数量达到上百种！

这些强子的质量、寿命差别极大。大量强子的发现自然地让人们联想到了化学中的门捷列夫周期表，这么多的强子很难说都是基本粒子，它们应该更可能是由少数几种更基本的粒子构成的。

对此，人们做了很多尝试^[1]：

1949年，费米和杨振宁提出了费米-杨模型，认为质子和中子是基本粒子， 介子是由质子、中子以及它们的反粒子构成的，比如 （注：符号上面加个横线表示其反粒子）

1956年，阪田昌一提出了坂田模型，认为质子、中子以及 才是基本粒子。

费米-杨模型无法解释奇异粒子，而坂田模型则在解释重子时遇到困难。后来还有其它的一些不成功的尝试，但是这些尝试为后来的夸克模型奠定了基础。

1964年，M.Gell-Mann和G.Zweig分别独立地提出了夸克模型（Quark Model）。他们认为，强子是由三种更基本的费米子，即夸克，构成的。

夸克模型假设了三个夸克：

• 上夸克（u），电荷 ，重子数 ，奇异数
• 下夸克（d），电荷 ，重子数 ，奇异数
• 奇异夸克（s），电荷 ，重子数 ，奇异数

在夸克模型中，很多实验现象都得到了解释：

质子是由两个上夸克和一个下夸克构成的，中子是由两个下夸克和一个上夸克构成的， 介子则是由上夸克和下夸克及其反粒子构成，具体看下图：

2、中子磁矩

物理中的基本粒子就是一个点粒子，这样的粒子没有内部结构。

如果一个基本粒子具有电荷，那么就可以产生电场，影响其它带电粒子。如果这个基本粒子还具有自旋，那么就会产生一个磁矩（可以认为是产生的磁效应），就好像一个线圈产生的磁矩类似。

我们知道，中子是不带电的，如果认为中子是基本粒子，那么中子就不可能有磁矩。然而，在20世纪30年代的时候，也就是刚发现中子后不久，人们就发现中子具有磁矩！

这就直接说明中子不是一个基本粒子，只不过当时的人们还不知道这一点，一直到上文说的夸克模型提出后才得到一定的解释。

在夸克模型中，中子是由两个下夸克和一个上夸克构成的，虽然总电荷为零，但是这三个夸克并不完全重合，因此会“泄露”出一点电荷，使得中子表现出不为零的磁矩。

这就好像原子之间的电磁力，虽然整个原子是电中性的，但是电子和原子核并不完全重合，因此也会泄露出一点电磁力，因此才能使得原子与原子结合构成分子，也就是化学键。

3、电子-质子深度非弹性散射

由于夸克模型能够成功地解释许多事实，把极为复杂的事情变得非常简单，立即得到人们的普遍重视。如果仅仅是夸克模型，那么并不能说质子中子不是基本粒子，夸克模型更像是一种对强子分类的办法，是理论模型，要想得到验证就得需要实验。

人们做了很多实验，比如探测宇宙线，利用高能加速器等，希望能找到夸克存在的证据。然而，在1969年以前，什么证据也没有找到。这时，大多数人已经不抱希望，认为找不到夸克存在的证据，只能解释为所谓的夸克只不过是某种数学符号，物理方程中的一个数学量而已。

那么质子或者中子内部到底是不是夸克呢？要回答这个问题，最直接的想法就是去“看一下质子内部”。当然，这个“看一下”的过程并没有那么直接。比较典型的实验方法有深度非弹性散射（DIS, deep Inelastic scattering），简单地说就是用高能电子轰击质子，把电子打入质子内部，通过对末态粒子的分析来反推质子内部结构。

实验发现，质子内有无数点电荷，且基本上是自由运动的。

深度非弹性实验有三个重要的发现，通过与理论模型的对比，可以的出关于质子的重要结论：

• 在当时实验的分别率下，构成质子的点粒子表现为点粒子
• 构成质子的点粒子是自旋为1/2的费米子
• 构成质子的点粒子带分数电荷.

综合这3个实验发现得到质子结构的清晰图像：

质子是由自旋为1/2、带分数电荷的更微小的点粒子构成。

到这，就足以说明，质子和中子都不是基本粒子，而是由更小的粒子够成的。

当然，构成质子和中子的更基本的粒子除了夸克外，还有另一种不带电荷的粒子——胶子，胶子是强相互作用中传递强力的规范玻色子，由于不带电荷，不与电子发生参与，因此并没有在电子-质子深度非弹实验中被直接发现，此处不再多说。

4、最后

从上面的过程可以看出，认定质子和中子不是基本粒子，并不是一蹴而就的，而是经过几十年的理论和实验进步才得以验证的。如果实验能量不够，没法做电子-质子对撞实验，也没有在实验中发现更多的强子，那么认为质子和中子是基本粒子也并没有什么不可以的。

换句话说，一个粒子是不是基本粒子是基于能量水平的。在日常生活中，原子就可以认为是基本粒子（在化学反应中原子不会发生改变）；在核反应中，质子和中子是基本粒子（核反应可以认为是质子和中子的重新组合）；在目前人类认知的能量范围内，夸克和胶子是基本粒子。

那么在未来，有没有可能发现夸克和胶子也不是基本粒子，而是由更基本的粒子构成呢？

当然有可能！

但目前还无法知道下一步的突破在哪！

另外，电子也是基本粒子，到目前为止也一直是基本粒子。但也不能排除其有内部结构的可能。

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参考

1. ^ 杜东生，杨茂志。粒子物理导论