为什么物质有三代

撰文 | C. Wood

从悠远的快速旋转的脉冲星，到地球上的一草一木，在世界这个舞台上孕育了各种奇特而美丽的物质办法。但当咱们寻根究底的时分就会发现，这悉数的悉数，居然都只是是由三种根本粒子构成的，即电子、上夸克和下夸克。它们以各种办法混合在一起，构成了现有的每一个原子。

但这三种粒子并不是故事的悉数，它们只是只是三代物质粒子中的第一代：

夸克和轻子都归于费米子，它们都能够被划分为三代。

每一代物质粒子都比前一代愈加的重。由于第二代和第三代粒子不稳定，因而它们会敏捷的转变成更轻的版别，因而世界中并没有这两代粒子构成的奇特恒星或奇树异草。看起来，就算世界没有更重的两代粒子好像也能够运作杰出，但为什么有三代？其背面的原因是物理学家一直在探究的。

上世纪70年代，寻求某种更深层、更根本原理的物理学家们树立了粒子物理学的规范模型，它描绘了一切已知根本粒子，以及它们之间的杂乱相互效果。物理学家想凭借规范模型来窥视为何物质粒子刚好不多不少的存在三代这一问题。可是，没人能破解其间的奥妙，这样的一个问题根本上被放置一旁。

可是最近，就在许多理论物理学家现已几近抛弃的现状下，规范模型的设计者之一、现年86岁的诺奖得主史蒂芬·温伯格（Steven Weinberg）在《物理谈论D》杂志上宣布了一篇论文，从头唤起了我们对这个疑团的考虑。论文中说到，粒子质量的一种风趣形式或许能引领未来的研讨方向。

1967年11月20日，史蒂芬·温伯格（Steven Weinberg）在物理谈论快报上宣布的一篇标志性的论文：《轻子模型》（A Model of Leptons），为高能粒子物理学在20世纪后半叶的开展指明晰方向。

规范模型并没有猜测根本粒子的质量巨细，这些值只能经过试验测得，然后再将丈量成果代入到理论背面的方程中。丈量成果显现，第一代粒子中的电子重0.5MeV（兆电子伏特），而它的第二代和第三代对应粒子——μ子和τ子的质量则分别为105 MeV和1776 MeV。同样地，与二、三代比较，第一代粒子中的上夸克和下夸克也是最轻的，第三代的顶夸克和底夸克最重，其间顶夸克的质量高达173210 MeV。

假定电子（e）的质量为1，那么τ子的质量是电子的约3000倍，而顶夸克的质量则是电子的约340000倍。

当物理学家审视这些数值时，发现了一种风趣的规则：第三代粒子都重达数千兆电子伏特，第二代粒子都重达数百兆电子伏特，而第一代粒子都只要约一兆电子伏特。从第三代到第一代，粒子的质量以指数级变轻。

规范模型中的粒子质量与充满在世界中的希格斯场有关，粒子与希格斯场的效果越强，就会取得越大的质量。例如最重的顶夸克在穿过希格斯场时，会“感触”到激烈的阻力，就好像是一只苍蝇被粘在了蜂蜜里；而简便的电子在希格斯场中就像蝴蝶轻快地飘动在空中相同。每种粒子对场的感触都是这种粒子自身的一个内涵特点。

在规范模型树立之初，它给物理学家带来了很多热情和创意。很多科学家都跃跃欲试地企图用它来解说粒子的特点。比方在1978年，物理学家徐一鸿（Anthony Zee）与他其时的学生Stephen Barr在《物理谈论D》中宣布了一篇论文，他们创建了一个能够终究靠精细结构常数、μ子的质量、温伯格角来核算电子质量的模型。Barr和徐一鸿教授在1978年宣布的只是一个大致的主意，但只是几年之后，这一主意便由于弦理论的呈现而被放置一旁。

徐一鸿与Barr的中心思维部分受到了温伯格前期研讨的启示。与顶夸克那无法忽视的大质量比较，电子和其他一些粒子的质量显得微乎其微。他们都以为，在某种意义上，只要较重粒子的质量才是最根本的。

到了2008年，物理学家Patrick Fox和Bogdan Dobrescu再次对这一问题建议进攻。他们都以为，从某种程度上看，顶夸克是十分特别的，由于顶夸克的质量刚好大致等同于希格斯场的均匀能量，因而他们假定只要顶夸克穿越希格斯场的办法是规范的。

其他粒子与希格斯场的效果是直接的。这是有或许的，由于量子力学的不确定性答应粒子在短时间内忽然呈现。这些少纵即逝的粒子在更永久的粒子周围构成了“虚”粒子云。例如，当虚顶夸克集合在一个μ子（第二代粒子）周围时，它们能够终究靠与一种新的设想粒子相互效果，将μ子暴露在希格斯场中，从而使μ子也具有必定的质量。可是由于这种曝光是直接的，所以其质量比顶夸克要轻得多。

让第一代粒子以相似的数量级轻于第二代粒子的机制与上一段所述的机制相似。值得一提的是，在一切粒子中，最轻的中微子也有三代。但它们的性质与其他根本的大质量粒子十分不同，因而不适合用于用这种机制解说。

温伯格在最近的论文中从头探讨了这种直接机制的各种或许工作办法。他将感触希格斯场的才能赋予了整个第三代物质粒子——即顶夸克、底夸克、τ粒子。经过与某些奇特的虚粒子相互效果，质量从三代向下传递到第二代和第一代。

可是，无论是温伯格，仍是Fox和Dobrescu的办法都没能成功。Fox和Dobrescu的办法终究反而增加了规范模型中无法解说的常数的数量，以解说三代粒子质量。温伯格的研讨则把某些质量之间的联系搞错了，而且未能描绘出高质量粒子是怎么转变成低质量粒子的。Fox以为，温伯格之所以编撰这篇论文，或许是为了鼓舞其他物理学家来承受这项应战，并提早奉告这样的一个进程中会必定呈现的问题。

Fox以为，这样一些问题并非是丧命的冲击，而是预示了现有理论需求得到更多调整的痕迹。当然，还有一部分物理学家并不认同独自挑选出第三代粒子，以及时间短存在的粒子云这种办法。

能够支撑或区别物质粒子质量理论的仅有牢靠依据，便是发现猜测出的每一种奇特粒子。大型强子对撞机（LHC）还没有发现任何反常，但Fox仍坚持达观，等待它们总有一天会呈现。他以为一些探究稀有的粒子转化的试验（比方当费米试验室的Mu2e上线之后，能够研讨μ子到电子的衰变）最有或许直接探测到中心粒子，并不坚定规范模型。

本文经授权转载自微信大众号“原理”。本文编译自Charlie Wood于2020年3月30日宣布在Quanta Magazine的文章：Why Do Matter Particles Come in Threes? A Physics Titan Weighs In. 原文链接：https://e-in-threes-a-physics-titan-weighs-in-20200330/

其他参阅来历：

https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.101.035020

https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.17.1854

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1126-6708/2008/08/100/pdf