基本粒子19︱Jψ粒子的发现，以及三代夸克和三代轻子

现在我们已经知道了有三种夸克，上夸克（u）、下夸克（d）、奇夸克（s），这三种夸克再加上它们的三种反夸克，然后根据自旋平行与反平行就可以组成我们前面介绍的所有的强子了。

这里的平行与反平行说的是夸克的自旋朝向一致或者相反，比如说一个上夸克和一个反下夸克，如果他俩的自旋都朝上，都是+1/2，那他俩组合在一起就是自旋为1的ρ+矢量介子。

如果他俩的自旋是相反的，一个朝上、一个朝下，那他俩组合在一起就是自旋为0的π+赝标介子。这就是所谓的自旋同向和不同向的区别了，完全就是不同的例子，那微观世界就是这么神奇。

好，那从1964年盖尔曼提出这个夸克模型，并且说了三个夸克以后，直到1974年，这十年间，人们再也没有发现哪个强子是这三种夸克解释不了的，这是不是就意味着在基本粒子中就只有三种夸克了。

并不是的，当时人们觉得至少还有一种夸克没有被我们发现，因为，你看，我们前面已经介绍了四种轻子了，电子和电子中微子，缪子和缪子中微子，但你这夸克只有三个，很明显不好看，所以当时美国物理学家格拉肖就说，肯定还有一种夸克，格拉肖这个人挺厉害的，他在弱电统一理论中做出了突出的贡献。

那结果是肯定的，确实还有新的夸了，而且不止一个，就在1974年的11月，美籍华裔物理学家丁肇中在麻省理工学院领导的研究小组就对外公布，它们发现了一个新的粒子，叫J粒子，就在同一时间，另外一组由利克特领导的研究小组，在斯坦福直线加速器中心也发现了同一个粒子，它们给这种粒子起名叫ψ粒子。

不光是名字不同，两个实验小组发现J/Ψ粒子的方式也不同，丁肇中领导的小组是在研究质子和质子的碰撞实验中，发现了J粒子。

并且测量J粒子的质量大约为3097兆电子伏特，不确定范围小于5兆电子伏特，这么小的不确定范围，根据海森堡的不确定性原理，就能知道J粒子的寿命相比与其他强衰变的粒子来说就很长了很对。

那利克特小组是在正负电子对撞机中发现Ψ粒子的，当正负电子携带的能量在3097兆电子伏特的时候，就会产生Ψ粒子，并且准确的测量了Ψ粒子质量的不确定范围只有大约63Kev，所以Ψ粒子的寿命大约为10^-20秒。

这个时间非常短，但是相比于其他强衰变的粒子来说，Ψ粒子的寿命长了3到4个数量级，而且根据以往的规律，这粒子的质量越大，它的寿命越短，Ψ粒子比其他粒子的质量大了2到3倍，但寿命却长了很多，这一点就比较奇怪。

这一点通过已知的三种夸克模型无法解释，因此能够想到的最好的办法就是假设J/Ψ粒子是由一种新的夸克组成的，它就是粲夸克，具有新的量子数粲数，记为C，那粲夸克的粲数就是1，反粲夸克的粲数就是-1。

那J/Ψ粒子其实就是粲夸克和反粲夸克以自旋平行的方式组成的介子，它之所以寿命较长，是因为J/Ψ粒子在衰变的时候没有粲数守恒的衰变方式，你可以理解为它相较于其他粒子来说，缺少一些衰变的途径，因此它就不容易衰变了，寿命就长了。所以这只有假设出一种具有新的量子数的夸克才能解释J/Ψ粒子的异常行为。

好，那既然我们有了新的夸克，那夸克的总数就变成了四个，这个新的粲夸克也可以和其他夸克再次组成一些新的强子。

这些强子的量子数，甚至质量，我们都可以在理论上做出预测，所以寻找这些强子也就是在检验夸克模型的准确性。

那图中的这几个粒子，就是我们现在已经确认的具有粲数的强子，它们的发现就很有力地证明了组成强子的夸克确实存在。

因此1976年丁肇中和利克特就因为发现了粲夸克的束缚态J/Ψ粒子获得了诺奖，这个发现让沉寂了很久的粒子物理又开始热闹了起来，也鼓舞了很多实验物理学家，它们都在努力寻找新的粒子。

到了1977年的时候，莱德曼领导的小组宣布它们又发现了一种新粒子，起名叫Υ，发现这种粒子的方法和丁肇中小组发现J粒子的方法一模一样，这种粒子是由一种由全新的夸克和反夸克以自旋平行的方式构成的，这种新夸克就是取名为底，记为b。

既然我们发现了底夸克，那根据对称性的要求，科学家肯定会认为一定存在一种和底夸克相对应的夸克，称为顶夸克。

所以，在底夸克被发现以后，实验物理学家就立即着手寻找顶夸克了，但没想到找这种夸克花了将近20年的时间，因为顶夸克非常重，大约是底夸克质量的45倍，而且由于夸克不能自由存在，那要产生顶夸克的加速器的能量至少要达到顶夸克质量的2倍以上。

而当时加速器的能量也就只有几十个Gev，所以直到1995年的时候，我们才找到了顶夸克。

那我们现在就有了六种夸克了，上、下、粲、奇、顶、底，但是反观轻子，我们现在只知道四种，电子、电子中微子、缪子和缪子中微子。

很明显，仅从美学的角度来看少了一组轻子。所以实验物理学家在寻找顶夸克的同时，也是寻找这对新的轻子。

在1979年的时候，物理学家马丁·佩尔在正负电子对撞机中就发现了一个新的粒子，它就是陶子，跟它相关的一个中微子叫陶子中微子。虽然陶子是轻子，但是他的质量达到了1776Mev，将近是质子质量的两倍。就像我们前面说的，它完全就是电子的版本。

特重

那到这里的话，我们就已经说完了，组成物质的所有的费米子了，它们分为两类夸克和轻子，各六种。从图中可以看出这些基本粒子根据质量分为了三代，第一代夸克是上和下，第一代轻子是电子和电子中微子，很明显我们的世界就是有第一代基本粒子构成的。

那剩下的第二代夸克，粲和奇，第三代夸克顶和底，都是第一代夸克的重版本，因为它们除了质量有差异以外，其他的形式完全一样，那在轻子家族中也有这种世代重复的现象。目前我们并不知道，基本粒子为什么重复出现，更不知道为什么第三代粒子的质量远比第一代和第二代要重，这些都是未解之谜。

现在我们看到的这个图就是标准模型中的所有的基本粒子，当然没有包括反粒子在内，现在我们说完了夸克和轻子，接下来要说的就是传递物质之间力的粒子，规范玻色子，也就是三种基本作用力的作用方式。