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宇宙中最小的粒子是什么? 最大的呢?

2021-07-19 16:11     来源:Live Science     粒子 费米国家加速器实验室原子核粒子加速器

宇宙中最小的粒子是什么? (图片来源:Shutterstock)

最小的粒子比电子轻得多

宇宙是一个很大的地方,但它是由小块组成的。元素周期表包括氧、碳和其他组成恒星、猫或咖啡的元素。但是自从进入20世纪以来,科学家们一直在思考并发现越来越小的基本粒子——那些比原子还要小的充满宇宙的粒子。那么这些基本粒子中哪个最小呢? 哪个又最大?

唐·林肯是芝加哥附近费米国家加速器实验室(Fermilab)的资深科学家,他是试图回答这个问题的科学家之一。在费米实验室,科学家们使用粒子加速器将单个粒子碰撞在一起,然后观察产生的碎片——或者可能的新基本粒子。林肯说,有两种方法可以测量粒子的大小:研究它们的质量和测量它们的物理大小,比如计算一个球的直径。

就质量而言,这些问题回答起来相对简单。林肯说,我们所知道的最低的非零质量粒子是中微子。然而,他指出,由于用于计算基本粒子质量的仪器不够灵敏,我们无法精确测量中微子的质量。

“中微子是一种粒子,有点像亚原子世界的幽灵,”林肯说。中微子与物质的相互作用非常弱,是仅次于光子的第二丰富的粒子(光子的行为更像波而不是真正的粒子)。事实上,在这一秒有数万亿中微子穿过你。中微子的重量几乎为零,运行速度接近光速。

原子核由中子、质子和电子组成。林肯说,质子和中子本身的大小大约是整个原子核的十分之一。电子的质量几乎为零,但实际上它的重量是中微子的50万倍(同样,目前还无法精确测量)。

宇宙中最小的粒子是什么?

粒子的大小可以通过研究它们的质量或它们的物理大小来测量。

物理学家使用电子伏特(eV)来测量亚原子粒子的质量,林肯说。严格来说,单位是eV/c^2,其中c是光速。一个电子伏特相当于大约1.6x10^-19焦耳。为了简化,物理学家使用了一套单位,即光速为1。为了计算出亚原子粒子的质量,你可以用爱因斯坦著名的方程E=mc^2来得到质量(m),单位是千克。

根据林肯的说法,一个电子重达511,000电子伏,相当于9。11 x 10^-31千克。相比之下,一个典型原子原子核中的一个典型质子重9.38亿电子伏,或1.67 × 10^-27千克,他说。

相反,我们所知道的最大(按质量计算)的基本粒子是一种叫做顶夸克的粒子,据林肯说,它的测量值高达1725亿电子伏特。夸克是另一种基本粒子,据我们所知,它不能被分解成更多的部分。科学家们发现了六种类型的夸克:上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。上夸克和下夸克组成质子和中子,它们分别重300万电子伏和500万电子伏。相比之下,顶夸克的重量是上夸克的57500倍。

物理尺寸的问题更难回答。我们知道一些粒子的物理大小,但不知道最小的粒子。人们在日常生活中听到的一些“微小”颗粒,如病毒颗粒,实际上是相当大的。

林肯提出了这种规模:一个典型的病毒粒子长约250到400纳米(1纳米是一米的1000000000,或10 ^ 9米),和典型的原子核措施大约10 ^ -14(0.00000000000001米),这意味着一个原子核一样小病毒病毒。

目前,科学家可以用粒子加速器测量到的最小的物理尺寸是质子的2000倍,也就是5 x 10^-20米。到目前为止,科学家们已经能够确定夸克比这个还要小,但不能确定比这个小多少。

最初发表在《Live Science》上。

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