核力、自旋与基本粒子

原子核含有中子和质子，质子由两个上夸克和一个下夸克组成，而中子由两个下夸克和一个上夸克组成。这两种类型的夸克有两个电荷值：上夸克的电荷为 +2/3，下夸克的电荷为-1/3。因此，如果我们把它们相加，就可以得到质子的总电荷是+1，而中子的总电荷为零。

我们在标准模型中有两类物质粒子——轻子和夸克，物质粒子具有自旋这种特殊特性，它们可以顺时针或逆时针旋转。并且根据粒子相对于其运动方向的自旋方式，它被分类为右手或左手粒子。手性是很重要的，因为事实证明它对粒子如何相互作用非常重要。

左手上夸克和下夸克可以通过弱力相互转化，这就是所谓的带电弱力的相互作用，由带+1电荷的W+玻色子或带-1电荷的W-玻色子介导。现在由于某些未知的原因，自然界不会以相同的方式对待右手粒子，例如前面所述的相互作用不会发生在右手上夸克和下夸克上。这意味着右手夸克不能变成其他夸克，并且不存在带电弱相互作用。

夸克还有另一种称为色荷的电荷，或者更准确地说，每种夸克都以红、蓝、绿三种不同的颜色存在。色荷允许夸克通过自然界的另一种基本力——强力相互作用。强力是由另一种称为胶子的玻色子介导的，这种强相互作用将3个不同颜色的夸克结合在一起，在原子核中形成质子或中子。

我们可以通过显示不同颜色之间的三角形来表示这种力。请注意，左手和右手粒子的三角形是相同的，因为强力与弱力不同，不区分右手粒子和左手粒子，它以同样的方式处理两种类型的粒子。这些夸克的颜色通过发射和吸收胶子而不断变化，但是所有三个夸克都必须是三种不同的颜色：红色、绿色和蓝色，这样才能形成中性或无色电荷。三个夸克中没有两个可以同时具有相同的颜色。

我们知道夸克本身是无法观察到的，理论告诉我们只能观察到无色颗粒。无色颗粒有多种形成方式，例如可以将三种不同颜色的夸克（红色、绿色和蓝色）组合成一个中性颜色，如可观察到的中子和质子。或者可以结合夸克和反夸克：反夸克持有反色，有反红、反绿和反蓝反夸克。当夸克与反夸克结合时，形成的粒子称为介子。

这些颜色基础来自强力，这种强力是由一种叫做胶子的粒子介导的。就像胶水一样，它把夸克紧紧地粘在一起。有8种不同的胶子具有不同的颜色组合，它们充当颜色从一种夸克传输到另一种夸克的机制，这种颜的色转移是将夸克保持在一起的原因。胶子不是无色的，但在理论上可以把它们结合起来，这样就可以制作一个无色胶子的复合球。但到目前为止，还没有人发现胶子球的存在。

同样，就电荷而言，我们有两种类型的轻子。我们有带-1电荷的电子，以及电荷为0的中微子。就像左手上夸克和下夸克一样，带电的弱力可以将左手电子和中微子相互转化。虽然左手和右手电子都存在，但对于中微子来说，由于某种未知的原因，只存在左手中微子，右手中微子从未被发现。与夸克不同，轻子没有任何色荷，因此不受强力的影响。这种缺乏色荷是轻子和夸克之间的主要区别之一。

出于某种奇怪和未知的原因，宇宙似乎包含三代粒子。到目前为止我们讨论的只是第一代物质粒子，但还有两代。每一代都包含相同数量的粒子，各代之间的唯一区别是：第二代粒子比第一代粒子重，第三代比第二代重，除此之外我们无法分辨其他差异。

事实证明，左手夸克不仅可以在同一代内的粒子之间转换，还可以跨代转换成质量较小的粒子。例如第二代更重版本的粲夸克，它可以衰变为第一代下夸克。就轻子而言，理论上没有什么可以阻止它们在不同代的粒子之间转换，但迄今为止，从未观察到这种情况。这个是目前的研究领域，有迹象表明这种转变可以存在。