3小時讀通基本粒子 漫畫版

　　夸克為什麼不現身？微中子為什麼能夠穿過地球？
　　看了就懂基本粒子，原來這麼簡單！

　　本書乃是藉由淺顯易懂的文字及繪圖來說明「物」的基本要素──原子核及基本粒子的一本書。這些基本要素是1公分的一兆分之一尺度的超微小要素，是現代物理學的基礎。

　　從原子核邁進超微小的基本粒子世界！！

　　20世紀，由於科學技術的進步，發現了夸克及微中子是構成物質的基本要素，即物的構成之基本粒子。然而即便喜歡物理，要理解基本粒子的本質，卻不是件簡簡單單就能辦得的事。

　　本書不使用數學公式，單單運用插圖及文字，輕鬆解說與歸納基本粒子的本質。本書為基本粒子入門的書籍，為你打開理解基本粒子的這一扇門！

　　在第1章，我們敘述基本粒子的觀念從原子．分子演進到原子核．基本粒子的過程。

　　在第2章，我們邀請您進入原子核的世界，為您介紹原子核內質子和中子的各種舞動；質子和中子在1公分的一兆分之一的超微小滑冰場上滑著自旋及公轉的舞。

　　在第3章，我們平易地描述由原子核擔任主角的放射線及原子力的基礎。

　　第4章和第5章，我們來觀賞超微小的夸克與微中子的神奇世界。在那世界裡，夸克窩在質子裡不出來。另一方面，微中子則是直接穿過地球，在宇宙中交錯飛行。

　　在第6章，我們簡單地談論一下宇宙初始、宇宙中滿佈的未知暗物質的真面目、基本力的統一等等的宇宙和物理的根本性問題。

作者簡介

江尻宏泰

　　1936年生於日本茨城縣。東京大學理學部物理系、所畢，理學博士。歷任東京大學、華盛頓大學、哥本哈根大學、加州大學客座教授，大阪大學．研究所教授、核物理研究中心所長、國際高等研究所訪問學者、國際基督教大學紀念教授、高輝度光科學研究所顧問等。專業領域為基本粒子．核分光物理。曾因微中子雙重β分光研究獲島津獎。現為大阪大學名譽教授、捷克理工大學客座教授。主要著作有《圖說物質的真相》（日本講談社BLUE BACKS書系）、《夸克．輕子核的世界》（裳華房）、《原子核分光物理》（英文，Oxford出版）、《核子強子多體系統》（英文，Oxford出版）等。

審訂者簡介

陳政維

　　臺灣大學物理系教授。美國加州大學聖地牙哥分校物理博士。主要研究領域為超導體與磁性，以及兩者之間的交互作用關係。關於奈米尺度的超導體材料探討，也是目前的研究重點。

譯者簡介

陳銘博

　　台灣科技大學電子工程系畢。踏入職場三年後前往日本就讀語言學校，回國後任職於專利事務所負責日文專利文件業務。目前為專職譯者。譯有《世界第一簡單電路學》（世茂出版）。

4-1質子和中子有夥伴嗎？

　　原子核是由核子（質子和中子）所組成，而核子有帶正電荷之狀態的質子與不帶電荷之狀態的中子。核子間的核力則由介子傳遞。如此就構成了由核子與介子所組成的單純物之構成。然而隨著研究的發展，我們已了解到物之構成其實是更加多樣且複雜的。

　　當以具有高能量的光子或介子撞擊質子時，會產生質量比核子（質子和中子）還大（重）的Δ（delta）粒子。質量大代表其靜止質量能高，乃是一高能量狀態的核子。其靜止質量約比質子和中子多重了30%（圖4-1A）。

　　以電子的電荷作為單位時，Δ粒子有＋2、＋1、0、－1這四種狀態。亦即Δ＋＋、Δ＋、Δ０、Δ－。Δ粒子會因屬於強交互作用的核力作用，而以約5秒的一兆分之一再一兆分之一的平均壽命，放出π介子衰變質子或中子。Δ＋＋會放出π＋介子衰變成質子，Δ－會放出π－介子衰變成中子（圖4-1B）。

　　質子是種穩定的粒子，乃是靜止質量能最小的粒子。中子也是還算穩定的粒子，會因弱交互作用的作用而慢慢地衰變成帶正電荷之狀態的質子。Δ粒子雖然也會因弱交互作用的作用而慢慢地衰變成其他電荷狀態，但實際上會在那之前迅速地就因強交互作用的作用而衰變成核子。

　　核子（質子和中子）與光子和介子撞擊時，除了會產生Δ粒子之外，還會產生其他具有各種質量和電荷（狀態）的粒子。

　　這些粒子都是核子的夥伴粒子，會因強交互作用的作用而衰變成核子（質子和中子）。且因都是高靜止質量能狀態的粒子，會瞬間衰變成核子的「不穩定核子」。能夠以人工的方式從地球上天然存在的核子終將它們製造出來。

　　實際上，核子在原子核內同樣也是在很短的發生時間內，不斷轉換於Δ粒子和核子之間。

4-2奇異粒子如何產生出來的？

　　讓核子（質子和中子）與高能量的介子和光子撞擊，會產生稱為超子的新型粒子（圖4-2A）。

　　超子並不會因強交互作用而瞬間衰變成核子，而是因弱交互作用的作用放出π介子，慢慢地衰變成核子。超子的平均壽命也是約為1秒的一百億分之一。基本粒子時鐘是以約1秒的一兆分之一再一千億分之一的單位時間轉動。以人體時鐘心臟1秒鐘跳動約1次，平均壽命有80歲左右。以基本粒子時鐘計時得到的超子壽命，約等同於人類活了30萬年。超子是一種壽命極長的穩定粒子（圖4-2B）。超子的種類有以下幾種。

　　Λ（lambda）粒子，是最輕的超子，靜止質量能約11億電子伏特，電荷狀態則只有0這一種狀態，也就是說是電中性的。它會因弱交互作用的作用，長時間緩慢地放出π0或π－介子而衰變成中子或質子。

　　Σ（sigma）粒子，比Λ粒子重一些，靜止質量能為12億電子伏特。有Σ＋、Σ0、Σ－三種電荷狀態。Σ粒子同樣也受弱交互作用的作用，和Λ粒子一樣在經過1秒的一百億分之一左右的壽命後，衰變成核子（質子或中子）與π介子，惟Σ0粒子則是放出光子瞬間衰變成Λ（電荷0）粒子。

　　Ξ（xi）粒子，有Ξ0、Ξ－兩種電荷狀態。Ω（omega）粒子，只有一種電荷狀態Ω－。這兩種超子都是還算穩定的粒子，會因弱交互作用放出π介子，並在經過約1秒的一百億分之一左右的時間後，Ξ粒子衰變成Λ粒子，Ω粒子衰變成Ξ粒子或Λ粒子。

　　上述這些粒子是有別於核子6-3宇宙中的暗物質

　　為了揭開宇宙物質的主要成分－暗物質的正面目，世界各國的研究團隊正積極投入未知的基本粒子WIMP（弱交互作用重粒子）的研究。WIMP的最有力候選人就是渺中子（neutralino）這新型粒子。

　　目前的標準模型（理論）中，基本粒子有構成物質的費米子－夸克與輕子（電子、微中子），以及傳遞力的玻色子－光子、膠子、弱玻色子。

　　超對稱性理論認為有對應於各費米子的玻色子，及對應於各玻色子的費米子，也就是認為費米子與玻色子是成組對稱的（圖6-3A）。

　　而被認為可能是WIMP的，是與傳遞力的玻色子對應的費米子。其中最為穩定（質量最小）的粒子，是渺中子的這個超對稱性粒子，它有可能以暗物質的形態存在於宇宙中。

　　渺中子就像微中子一樣能穿過絕大多數的物質，因此要捕捉它非常困難。渺中子和原子核差不多重，因此和原子核撞擊時，原子核會因為反作用而移動（圖6-3B）。量測這過程檢測出渺中子並量測其質量。