粒子物理标准模型

标准模型（Standard Model, SM）是粒子物理学中一套描述强力、弱力及电磁力这（四种基本力中的）其中三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。它隶属量子场论的范畴，并与量子力学及狭义相对论相容。

玻色子（内圈5种）：H-希格斯粒子、g-胶子、y-光子、z-Z粒子、w-W粒子

费米子：绿色-轻子（依次为陶子、缪子、电子、陶子的中微子、缪子的中微子、电中微子）、红色-夸克（依次为 上、粲、顶、下、奇、底）

标准模型共61种基本粒子（见表、上图）包含（组成物质的）费米子及（传递力的）玻色子

——费米子为拥有半奇数的自旋并遵守泡利不相容原理（这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态）的粒子；

——玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不相容原理。

种类	世代	反粒子		色	总计
夸克	2	3	成对	3	36
轻子	2	3	成对	无色	12
y-胶子	1	1	自身	8	8
W粒子	1	1	成对	无色	2
Z粒子	1	1	自身	无色	1
g-光子	1	1	自身	无色	1
H-希格斯粒子	1	1	自身	无色	1
总计					61

基本粒子	费米子	夸克：u · d · c · s · t · b及其对应的反夸克
	玻色子	轻子：e- · e+ · μ- · μ+ · τ- · τ+ · νe ·νe反粒子 · νμ · νμ 反粒子· ντ · ντ 反粒子
复合粒子	强子	重子/核子/超子：p · p · n · n · Δ · Λ · Σ · Ξ · Ω ·
		介子/夸克偶素：π · K · ρ · D · J/ψ · Υ
	其它	原子核（质子、中子）· 原子 · 奇异原子：电子偶素 · 渺子偶素 · 介子原子 · 超子原子 · 反氢 · 介子核 · 超核 · 重味超核 · 分子

量子场论

量子场论结合了量子力学、狭义相对论和经典场论，也是粒子物理标准模型的数学基础和理论框架
量子场论中，粒子就是场的量子激发，每一种粒子都有自己相应的场。（在量子场论框架下，物质的基本形态是“场”，而我们所观测到的各种粒子，实质上是其对应量子场的激发态。例如，电子是电子场的激发，光子是电磁场的激发。）

量子涨落

在量子力学中，量子涨落（量子真空涨落，真空涨落）是在空间任意位置产生正负虚粒子对而后又快速湮灭（对于能量的暂时变化）的过程 。可从海森堡的不确定性原理可以推导出这结论。

是否违背能量守恒定律
量子涨落看似违反了能量守恒定律，但这种涨落发生在空间中的任何地方，而且能量存在的时间非常短，时刻一到，它就要消失。
总能量如大海的浪潮一般上下起伏，局部而言有高有低，在大尺度上，大海的总水量是不变，所以能量守恒定律并没有被破坏。
虽然不违背能量守恒定律，但是会影响粒子的运动，致使计算粒子运动只能采用辐射修正，对相互作用的高阶微扰修正效应，通过费曼图计算时需采用重整化方法消除发散项，其物理效应表现为相互作用强度随动量变化的特性。

真空0点能
量子力学的真空与一般认知的真空不同。在量子力学里，真空并不是全无一物的空间，虚粒子会持续地随机生成又湮灭于空间的任意位置，将这些量子效应纳入考量之后，空间的最低能量态，是在所有能量态之中，能量最低的能量态，又称为基态或“真空态”。最低能量态的空间才是量子力学的真空。

卡西米尔效应实验验证真空0点能
卡西米尔效应实验中，两块平行的金属板被放置在真空中。 由于金属板会限制板间真空波动的模式，导致板间产生一种微小的吸引力

大型强子对撞机探测对撞产生新粒子（验证量子涨落）
对撞机中发生的物理过程，对撞、产生新粒子、又衰变为稳定粒子的过程叫做共振。当对撞粒子的能量在新粒子（虚粒子）附近时，对撞的高能量有小概率转化为质量（实验现象，但具体细节理论仍有争议），这便产生了的新粒子，并通过上述反应得到具有一定特征的末态稳定粒子分布。

四种基本的力（或称相互作用）

力的种类	相互作用的物体	力的强度	力程
万有引力	一切质点	10-34N	无限远
弱力	大多数粒子	10-2N	＜10-17m
电磁力	电荷	102N	无限远
强力	核子、介子等	104 N	10-15m

电磁相互作用

表现为带电粒子与电磁场的相互作用及带电粒子间通过电磁场并以光子来传递的作用力。

宏观尺度遵循麦克斯韦方程。
微观层面则由量子电动力学（qed）描述。
在QED的微观世界中，由于量子涨落，无数正反粒子对突然产生又迅速湮灭，描述两个带电粒子（比如电子）通过交换虚光子发生相互作用（这个虚光子并不是可观测的真实光子，而是量子涨落的一种表现），就需要对所有可能的过程（即所有不违反基本守恒律的费曼图），进行计算概率幅之和

强相互作用

强相互作用是自然界四种基本相互作用中最强的一种，其作用范围在10^-15m范围内。强相互作用克服了电磁力产生的强大排斥力，把质子和中子紧紧粘合为原子核。
所有受到强相互作用影响的亚原子粒子都被称为强子，按现代的粒子物理学中的标准模型理论而言，强子是由夸克、反夸克和胶子组成的。

在数学形式上，强相互作用由量子色动力学（QCD）描述，QCD是一种规范场论，其核心是具有色荷的夸克之间的强相互作用是通过交换胶子而传递强力的。
目前看来，夸克无法单独存在，且它们总是被胶子束缚在强子内部。

我们所熟知的质子、中子等复合粒子（统称强子），其质量的约99%来源于内部夸克的巨大动能以及传递强作用的零质量胶子所携带的能量（根据质能等价原理，能量即表现为质量）。仅有约1%的质量可归因于赋予夸克基本质量的希格斯机制。），量子色动力学（QCD）描述中由于夸克内部的高能量，导致这些零质量胶子以虚粒子（量子涨落）的形式成团成团出现在夸克附近。

胶子的“行为”很像弹簧：
当夸克彼此非常接近（高能量）时，这根“弹簧”非常松弛，相互作用很弱，夸克近乎自由，这一特性被称为渐进自由；
而当夸克试图分离（低能量）时，胶子“弹簧”会产生极强的相互作用力将其拉回，使夸克永远无法挣脱（也是渐进自由），这一现象被戏称为“夸克禁闭”或“夸克监狱”。

这种束缚力如此之强，以至于如果试图将两个夸克完全撕开，所注入的能量足以在真空中产生一个新的夸克-反夸克对，结果便是你永远无法得到一个孤立的夸克。

弱相互作用力

弱相互作用力属于短程力（作用范围小于10^-15米），作用于夸克、电子等费米子，通过交换W±和Z玻色子传递，具有宇称不守恒特性。

要是说强相互作用力是把原子核粘合在一起，那弱相互作用力就是主导原子核的裂变.
但是弱力的作用力程非常短，几乎为零，即参与相互作用的粒子彼此一离开，力就迅速地消失了。（弱力没有本领把任何粒子束缚在一个较复杂的体系中，它只存在于一些粒子发生衰变和俘获的一瞬间，粒子之间一离开，弱力马上就消失。）
在β衰变、中子衰变等过程：（中子→质子+电子+中微子），弱力通过改变夸克味量子数实现衰变。

半衰期
半衰期或衰变常量表征是指放射性核素衰变至原有数量一半所需的时间（每过一个半衰期，物质变至原有的一半，如，1/2 —一个半衰期、1/4—两个半衰期 、1/8 —三个半衰期、1/16 —四个半衰期、1/32—五个半衰期 ）。

量子隧穿—在哥本哈根诠释下的初略解释（并非弱力）
根据海森堡不确定性原理的能量-时间不确定原理，能量与时间不能同时被确定，但粒子遭遇位势垒的时候，它需要借一份能量 E 来穿过它，而这个粒子有 t 的时间来穿过位势垒，并把借来的能量 E 还回去，因为能量和时间不能同时被确定，所以时间 t 的长度是不能被确定的，这便给了粒子“钻空子”的机会，使其穿入或穿越能量大于该粒子总能量的位势垒。

宏观量子隧穿（并非弱力）
约瑟夫森提出了一种特殊的结构：超导层—薄绝缘层—超导层（下图）。（薄绝缘层–很薄的势垒层 — 厚度 ≤ Cooper电子对的相干长度)，称为“约瑟夫森结”或称为超导隧道结。无阻流动的库珀对，以一定概率无损耗地跨过绝缘层流动到了对面的超导层，产生隧穿电流。约瑟夫森也因此构想，获得1973年的诺贝尔物理学奖。

中子衰变—应用量子隧穿效应解释原子核衰变
粒子可以概率性的穿过原子核的位势，从而逃出原子核的束缚。由于中子质量大于质子质量和电子质量之和，自由状态下的中子并不稳定，其平均寿命为约880.2秒。
在这里的表现是，其核内电子有概率穿入或穿越能量大于该电子总能量的原子核位势垒，并释放一个电子、一个反中微子和能量，同时中子衰变为质子。

补充：在原子核中的中子大多数是稳定的，因为根据原子核壳模型，原子核中的中子和质子都是处于能量较低的量子态中；在稳定原子核中比中子能态更低的质子能态已被质子填满，中子衰变产生的质子不能进入更低的质子能态，因此中子衰变没有发生。在不稳定的原子核中存在着能量上允许的质子的量子态，供中子衰变产生的质子占用，因此就有可能发生原子核内中子的衰变。例如，${}^{14}$14C（6个质子，8个中子）β衰变成${}^{14}$14N（7个质子，7个中子）的过程中，就有一个中子衰变。一般来说，处于β稳定线的原子核中的中子是稳定的，但是在远离β稳定线的丰中子核和中子滴线中，中子则是不稳定的，要进行β衰变。这些核中的中子衰变寿命就是这些核的β衰变寿命。

W玻色子与Z玻色子获得质量
在标准模型里，希格斯机制于希格斯场赋予（无质量的）W玻色子与Z玻色子质量，费米子借着应用希格斯机制于希格斯场与费米子场的汤川耦合而获得质量。

K介子（θ–τ）衰变存在CP对称性破缺现象，并以此提出的弱作用宇称不守恒理论
宇称不守恒定律是指：在弱相互作用中，互为镜像的物质的运动不对称（由吴健雄用钴60验证）。

当时物理学家发现有两种K介子，它们自旋、质量、寿命、电荷等完全相同，但是衰变却不同：一种衰变成两个π介子；一种衰变成三个π介子。为了区别它们，便将前者命名为θ介子，后者命名为τ介子（后来都被称为K介子）。

θ⁺ → π⁺ + π⁰

τ⁺→π⁺ + π⁺+π^–

1956年，李政道与杨振宁经研究（包括但不限于，对β衰变的实验进行数据统计）后断言τ和θ虽为同一种粒子，但在弱相互作用的环境中，它们的运动规律却不一定完全相同，后统称为K介子。二人也因此理论获得1957年获诺贝尔物理学奖。

随着研究的深入可知，K介子是由奇夸克与反上夸克或反奇夸克与上夸克组成

K介子典型衰变模式包括：

K⁰ → π⁺ + π⁻（短寿命态KS）

K⁺ → μ⁺ + νμ（约占63.5%） 

K⁺ → π⁺ + π⁰（约占21.2%）

吴健雄在0.01K极低温下，利用强磁场使钴60原子核形成左右旋自旋的镜像装置，观测到衰变电子数和放射方向存在显著差异，从而证实了弱相互作用中的宇称不守恒。

钴60的β衰变—左边为宇称守恒（推测），右边为宇称不守恒（实验结果）

弱场中宇称不守恒定律的其他体现
1998年欧洲核子中心观测到K介子衰变时间不对称性，2016年T2K实验发现μ介子中微子与反中微子行为不对称，2025年LHCb实验首次在底重子衰变中观测到CP破坏现象，同时兰州大学团队基于该实验在重子衰变机制理论研究取得突破

希格斯场

按照标准模型的希格斯机制，某些基本粒子因为与希格斯场之间相互作用而获得质量。希格斯玻色子是希格斯场的振动。
W玻色子与Z玻色子借着应用希格斯机制于希格斯场而获得质量，费米子借着应用希格斯机制于希格斯场与费米子场的汤川耦合而获得质量。只有希格斯玻色子不倚赖希格斯机制获得质量。不过尽管希格斯机制已被证实，它仍旧不能给出所有质量，而只能将质量赋予某些基本粒子。
例如，像质子、中子一类复合粒子的质量，只有约1%是归因于将质量赋予夸克的希格斯机制，剩余约99%是夸克的动能与强相互作用的零质量胶子的能量。