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　　夸克为什么不现身？微中子为什么能够穿过地球？
　　看了就懂基本粒子，原来这么简单！

　　本书乃是借由浅显易懂的文字及绘图来说明「物」的基本要素──原子核及基本粒子的一本书。这些基本要素是1公分的一兆分之一尺度的超微小要素，是现代物理学的基础。

　　从原子核迈进超微小的基本粒子世界！！

　　20世纪，由于科学技术的进步，发现了夸克及微中子是构成物质的基本要素，即物的构成之基本粒子。然而即便喜欢物理，要理解基本粒子的本质，却不是件简简单单就能办得的事。

　　本书不使用数学公式，单单运用插图及文字，轻松解说与归纳基本粒子的本质。本书为基本粒子入门的书籍，为你打开理解基本粒子的这一扇门！

　　在第1章，我们叙述基本粒子的观念从原子．分子演进到原子核．基本粒子的过程。

　　在第2章，我们邀请您进入原子核的世界，为您介绍原子核内质子和中子的各种舞动；质子和中子在1公分的一兆分之一的超微小滑冰场上滑着自旋及公转的舞。

　　在第3章，我们平易地描述由原子核担任主角的放射线及原子力的基础。

　　第4章和第5章，我们来观赏超微小的夸克与微中子的神奇世界。在那世界里，夸克窝在质子里不出来。另一方面，微中子则是直接穿过地球，在宇宙中交错飞行。

　　在第6章，我们简单地谈论一下宇宙初始、宇宙中满佈的未知暗物质的真面目、基本力的统一等等的宇宙和物理的根本性问题。

作者简介

江尻宏泰

　　1936年生于日本茨城县。东京大学理学部物理系、所毕，理学博士。历任东京大学、华盛顿大学、哥本哈根大学、加州大学客座教授，大坂大学．研究所教授、核物理研究中心所长、国际高等研究所访问学者、国际基督教大学纪念教授、高辉度光科学研究所顾问等。专业领域为基本粒子．核分光物理。曾因微中子双重β分光研究获岛津奖。现为大坂大学名誉教授、捷克理工大学客座教授。主要着作有《图说物质的真相》（日本讲谈社BLUE BACKS书系）、《夸克．轻子核的世界》（裳华房）、《原子核分光物理》（英文，Oxford出版）、《核子强子多体系统》（英文，Oxford出版）等。

审订者简介

陈政维

　　台湾大学物理系教授。美国加州大学圣地牙哥分校物理博士。主要研究领域为超导体与磁性，以及两者之间的交互作用关系。关于奈米尺度的超导体材料探讨，也是目前的研究重点。

译者简介

陈铭博

　　台湾科技大学电子工程系毕。踏入职场三年后前往日本就读语言学校，回国后任职于专利事务所负责日文专利文件业务。目前为专职译者。译有《世界第一简单电路学》（世茂出版）。

第1章　物质的组成与基本要素
第2章　原子核的组成
第3章　具有强大能量的放射线与核能
第4章　飞米世界里的超超微小基本粒子
第5章　微中子的真面目
第6章　宇宙的诞生与基本粒子、原子核的形成

4-1质子和中子有伙伴吗？

　　原子核是由核子（质子和中子）所组成，而核子有带正电荷之状态的质子与不带电荷之状态的中子。核子间的核力则由介子传递。如此就构成了由核子与介子所组成的单纯物之构成。然而随着研究的发展，我们已了解到物之构成其实是更加多样且复杂的。

　　当以具有高能量的光子或介子撞击质子时，会产生质量比核子（质子和中子）还大（重）的Δ（delta）粒子。质量大代表其静止质量能高，乃是一高能量状态的核子。其静止质量约比质子和中子多重了30%（图4-1A）。

　　以电子的电荷作为单位时，Δ粒子有＋2、＋1、0、－1这四种状态。亦即Δ＋＋、Δ＋、Δ０、Δ－。Δ粒子会因属于强交互作用的核力作用，而以约5秒的一兆分之一再一兆分之一的平均寿命，放出π介子衰变质子或中子。Δ＋＋会放出π＋介子衰变成质子，Δ－会放出π－介子衰变成中子（图4-1B）。

　　质子是种稳定的粒子，乃是静止质量能最小的粒子。中子也是还算稳定的粒子，会因弱交互作用的作用而慢慢地衰变成带正电荷之状态的质子。Δ粒子虽然也会因弱交互作用的作用而慢慢地衰变成其他电荷状态，但实际上会在那之前迅速地就因强交互作用的作用而衰变成核子。

　　核子（质子和中子）与光子和介子撞击时，除了会产生Δ粒子之外，还会产生其他具有各种质量和电荷（状态）的粒子。

　　这些粒子都是核子的伙伴粒子，会因强交互作用的作用而衰变成核子（质子和中子）。且因都是高静止质量能状态的粒子，会瞬间衰变成核子的「不稳定核子」。能够以人工的方式从地球上天然存在的核子终将它们制造出来。

　　实际上，核子在原子核内同样也是在很短的发生时间内，不断转换于Δ粒子和核子之间。

4-2奇异粒子如何产生出来的？

　　让核子（质子和中子）与高能量的介子和光子撞击，会产生称为超子的新型粒子（图4-2A）。

　　超子并不会因强交互作用而瞬间衰变成核子，而是因弱交互作用的作用放出π介子，慢慢地衰变成核子。超子的平均寿命也是约为1秒的一百亿分之一。基本粒子时钟是以约1秒的一兆分之一再一千亿分之一的单位时间转动。以人体时钟心脏1秒钟跳动约1次，平均寿命有80岁左右。以基本粒子时钟计时得到的超子寿命，约等同于人类活了30万年。超子是一种寿命极长的稳定粒子（图4-2B）。超子的种类有以下几种。

　　Λ（lambda）粒子，是最轻的超子，静止质量能约11亿电子伏特，电荷状态则只有0这一种状态，也就是说是电中性的。它会因弱交互作用的作用，长时间缓慢地放出π0或π－介子而衰变成中子或质子。

　　Σ（sigma）粒子，比Λ粒子重一些，静止质量能为12亿电子伏特。有Σ＋、Σ0、Σ－三种电荷状态。Σ粒子同样也受弱交互作用的作用，和Λ粒子一样在经过1秒的一百亿分之一左右的寿命后，衰变成核子（质子或中子）与π介子，惟Σ0粒子则是放出光子瞬间衰变成Λ（电荷0）粒子。

　　Ξ（xi）粒子，有Ξ0、Ξ－两种电荷状态。Ω（omega）粒子，只有一种电荷状态Ω－。这两种超子都是还算稳定的粒子，会因弱交互作用放出π介子，并在经过约1秒的一百亿分之一左右的时间后，Ξ粒子衰变成Λ粒子，Ω粒子衰变成Ξ粒子或Λ粒子。

　　上述这些粒子是有别于核子6-3宇宙中的暗物质

　　为了揭开宇宙物质的主要成分－暗物质的正面目，世界各国的研究团队正积极投入未知的基本粒子WIMP（弱交互作用重粒子）的研究。WIMP的最有力候选人就是渺中子（neutralino）这新型粒子。

　　目前的标准模型（理论）中，基本粒子有构成物质的费米子－夸克与轻子（电子、微中子），以及传递力的玻色子－光子、胶子、弱玻色子。

　　超对称性理论认为有对应于各费米子的玻色子，及对应于各玻色子的费米子，也就是认为费米子与玻色子是成组对称的（图6-3A）。

　　而被认为可能是WIMP的，是与传递力的玻色子对应的费米子。其中最为稳定（质量最小）的粒子，是渺中子的这个超对称性粒子，它有可能以暗物质的形态存在于宇宙中。

　　渺中子就像微中子一样能穿过绝大多数的物质，因此要捕捉它非常困难。渺中子和原子核差不多重，因此和原子核撞击时，原子核会因为反作用而移动（图6-3B）。量测这过程检测出渺中子并量测其质量。

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