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從原子到粒子：什麼是構成我們宇宙的基本元素？
在物理學中，亞原子粒子是指小於原子的粒子。根據粒子物理的標準模型，亞原子粒子可以是組合粒子，即由其他粒子組成的粒子（例如，由三個夸克組成的重子，如質子或中子；或由兩個夸克組成的介子），也可以是基本粒子，即不再由其他粒子組成（例如，夸克；或電子、緲子和塔粒子，這些被稱為輕子）。粒子物理學和核物理學研究這些粒子及其相互作用。
大多數攜帶力的粒子如光子或膠子被稱為玻色子，儘管它們擁有能量的量子，但沒有靜止質量或離散的直徑，而不同於那些具有靜止質量且不能重疊或組合的粒子，即費米子。
W和Z玻色子是這一規則的例外，它們的靜止質量分別約為80 GeV和90 GeV。實驗表明，光子可以像粒子流那樣行為，又可以展現出波的特性。這導致了波粒二象性的概念，反映了量子尺度的粒子同時表現出粒子和波的特性；有時被稱為“波粒子”以表達這一特徵。另一個概念是測不準原理，它指出某些性質例如位置和動量不能被準確測量。波粒二象性已經被顯示不僅適用於光子，還適用於更為沉重的粒子。
粒子相互作用的框架是理解為與相應基本相互作用的量子創生和湮滅。這將粒子物理學與場論融合在一起。
在粒子物理學家中，對於粒子的準確定義有著多樣的描述。這些專業的定義包括：粒子是一個折疊的波函數；粒子是場的量子激發；粒子是庞加莱群的不可約表示；粒子是可觀察的事物。
分類
按組成分類
亞原子粒子分為「基本粒子」，即不是由多個其他粒子組成的，或「組合粒子」，由多個基本粒子結合而成。標準模型的基本粒子包括：
- 六種「味道」的夸克：上夸克、下夸克、奇夸克、魅夸克、底夸克和頂夸克；
- 六種輕子類型：電子、電子中微子、緲子、緲子中微子、塔粒子、塔中微子；
- 十二種規範玻色子（力的載體）：電磁學的光子、弱力的三個W和Z玻色子、強力的八個膠子；
- 希格斯玻色子。
所有這些粒子已通過實驗發現，最近的發現包括頂夸克（1995年）、塔中微子（2000年）和希格斯玻色子（2012年）。標準模型的各種擴展預測了基本引力子和其他許多基本粒子的存在，但截至2021年，尚未被發現。
強子
強子一詞源於希臘語，由Lev Okun於1962年引入。幾乎所有的組合粒子都包含多個夸克（和/或反夸克），這些夸克由膠子束縛在一起（少數幾種例外，如正電子原子和緲子原子不含夸克）。包含少量夸克（≤ 5）的粒子被稱為強子。由於顏色禁閉特性，夸克從未單獨存在，而總是以包含多個夸克的強子的形式出現。根據夸克的數量，強子被分為重子（通常由三個夸克組成）和介子（通常由兩個夸克組成，一個夸克和一個反夸克）。除了質子和中子之外，所有其他的強子都是不穩定的，並在微秒或更短的時間內衰變成其他粒子。
質子由兩個上夸克和一個下夸克組成，而中子由兩個下夸克和一個上夸克組成。這些粒子通常結合形成原子核，例如，氦-4的核由兩個質子和兩個中子組成。
按統計分類
任何亞原子粒子，就像任何遵循量子力學定律的三維空間中的粒子，可以是玻色子（整數自旋）或費米子（奇半整數自旋）。在標準模型中，所有的基本費米子均為自旋1/2，並被分為帶有顏色電荷並因此感受強相互作用的夸克，以及不帶有顏色電荷的輕子。基本的玻色子包括規範玻色子和具有自旋零的希格斯玻色子。假設的引力子理論上需具有自旋2，但不屬於標準模型。由於複合粒子的自旋法則，重子（3個夸克）具有自旋1/2或3/2，因而是費米子；介子（2個夸克）則具有自旋0或1，因而是玻色子。
按質量分類
在狹義相對論中，粒子靜止時的能量等於質量乘以光速的平方。換句話說，質量可以用能量來表示，反之亦然。如果粒子在其靜止的參考系中有質量，那麼它被稱為有質量的。所有組合粒子都是有質量的。重子（意指「重」）的質量通常比介子（意指「中等」）大，而介子的質量則通常比輕子（意指「輕」）大，但最重的輕子（塔粒子）卻比兩種最輕的重子（核子）重。在本質上，任何帶有電荷的粒子都是有質量的。
按衰變分類
大多數亞原子粒子是不穩定的。所有輕子，以及重子因為強力或弱力而衰變（排除質子）。質子尚未被觀察到衰變，儘管有關於其「真正」穩定性的問題仍然存在，因為某些大型統一理論（GUTs）實際上要求質子為該理論的一部分。子型μ和τ緲子連同他們的反粒子通過弱力衰變。中微子（以及反中微子）不會衰變，但即使在真空中，也認為存在與中微子震盪有關的現象。電子及其反粒子正電子由於電荷保守理論上是穩定的，除非存在比它們質量輕的粒子，其電荷為小於或等於e的數量（這是不太可能的）。
其他特性
所有可觀察的亞原子粒子的電荷都是基本電荷的整數倍。標準模型中的夸克具有「非整數」電荷，即1/3的整數倍，但夸克（及其他具有非整數電荷的組合）無法被分離，這是由於顏色禁閉所致。對於重子、介子及其反粒子，組成夸克的電荷總和則為整數倍的e。通過阿爾伯特·愛因斯坦、薩捷因達·納特·博斯和路易·德布羅意等人的研究，當前的科學理論認為所有粒子也擁有波的性質。這不僅對基本粒子得到了驗證，還對原子甚至分子等復合粒子得到了驗證。事實上，按照傳統的非相對論量子力學的表述，波粒二象性適用於所有物體，甚至宏觀物體；儘管由於其小的波長，宏觀物體的波特性無法被探測。
原子的分裂
帶負電的電子質量約為氫原子質量的1/1836。氫原子質量的其餘部分來自帶正電的質子。元素的原子序數是指其核內質子的數量。中子是中性的粒子，其質量略大於質子。具有相同質子數但質子數不同的同位素為同一元素。某同位素的質量數是指核子（中子和質子總數）的總和。化學關注的是電子的共享是如何將原子綁定成晶體和分子等結構。被視為理解化學重要的亞原子粒子包括電子、質子和中子。核物理學則專注於質子和中子在原子核中的排列。研究亞原子粒子、原子和分子的結構及其相互作用需要量子力學。分析改變粒子數量和類型的過程需要量子場論。專注於亞原子粒子的研究稱為粒子物理學。高能物理學幾乎同義於「粒子物理學」，因為粒子的創生需要高能量：這僅在宇宙射線或粒子加速器中發生。粒子現象學系統化來自這些實驗的知識。
歷史
「亞原子粒子」一詞主要是一種來源於1960年代的返詞，用於區分大量的重子和介子（構成強子），以及現在被認為真的基本的粒子。在這之前，因為其組成未知，強子通常被歸類為「基本粒子」。重要發現的清單如下：
從原子到粒子的演變，不僅反映出科學技術的進步，還推動著我們對宇宙的理解。隨著對亞原子粒子的深入探究，我們或許終將揭開宇宙運行的更深層的奧秘。那麼，未來的研究會引領我們邁向何方呢？
