粒子

各種粒子分別有各自的內(nèi)稟性質(zhì) ，有粒子的質(zhì)量m（靜質(zhì)量，以能量表示）、壽命τ（平均壽命，指靜止系的平均壽命）、電荷Q（以質(zhì)子的電荷為單位）、自旋J（以為單位）、宇稱P、同位旋I、同位旋第3分量I3、重子數(shù)B、輕子數(shù)Le、、Lr、奇異數(shù)S、粲數(shù)C 、底數(shù)d等等。

在現(xiàn)有實驗的精度下，輕子的行為類似點粒子，沒有顯示出具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而強子顯示是復(fù)合粒子，具有一定的結(jié)構(gòu)。按照現(xiàn)代粒子物理的觀點，介子由一對正反夸克構(gòu)成，重子由3個夸克構(gòu)成，輕子和夸克屬于同一層次。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子達(dá)到400多種。

按照粒子與各種相互作用的不同關(guān)系，將粒子分為 ：

粒子媒介子

光子（傳遞電磁相互作用）

膠子（傳遞強相互作用）

粒子輕子

電子

電子中微子

μ子和μ子中微子

τ子和τ子中微子

粒子強子

質(zhì)子

中子

介子

超子

粒子夸克

上夸克

下夸克

奇夸克

粲夸克

底夸克

頂夸克

1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)電子，1911年盧瑟福提出原子的核式結(jié)構(gòu)。繼而我們發(fā)現(xiàn)了光子，并認(rèn)為“光子、電子、質(zhì)子、中子”是組成物質(zhì)的不可再分的粒子，所以把它們叫“基本粒子 ”。

19世紀(jì)末都認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的最小微粒。發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子和中子后，許多人認(rèn)為光子和它們是組成物質(zhì)的“基本粒子”。

逐漸發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計的不由質(zhì)子、中子、電子組成的新粒子；又發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等本身也有自己的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。從20世紀(jì)后半期起，就將“基本”二字去掉，統(tǒng)稱為粒子。

20世紀(jì)30年代以來，人們在對宇宙射線的研究中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一些新的粒子。

1932年發(fā)現(xiàn)了正電子；

1937年發(fā)現(xiàn)了 μ 子；

1947年發(fā)現(xiàn)了K介子和 介子；

后來還發(fā)現(xiàn)了一些粒子，質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量大，叫做超子。

粒子之間存在著相互作用 ，有強相互作用、電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用，其中引力相互作用非常弱，可以忽略。通過這些相互作用，產(chǎn)生新粒子或發(fā)生粒子衰變等粒子轉(zhuǎn)化現(xiàn)象。按照參與相互作用的性質(zhì)將粒子分成以下幾類：①規(guī)范粒子。即傳遞相互作用的媒介粒子，已發(fā)現(xiàn)的有傳遞電磁作用的光子和傳遞弱作用的W、Z粒子。②輕子。不直接參與強作用可直接參與電磁作用和弱作用的粒子，已發(fā)現(xiàn)的有電子、μ子、τ子和相伴的電子中微子ve、μ子中微子、τ子中微子及它們的反粒子共12種。③強子。直接參與強作用，也參與電磁作用和弱作用的粒子。其中自旋為整數(shù)的強子稱為介子，自旋為半整數(shù)的強子稱為重子。強子的數(shù)目眾多，其中大部分是通過強作用衰變的粒子，其壽命極短，是不穩(wěn)定的粒子，也稱為共振態(tài)。

基本粒子是構(gòu)成一切物質(zhì)實體的基本成分；也指量子理論中有基本力的粒子。

嚴(yán)格地說，基本粒子是不能再分解為任何組成部分的粒子。在這一定義下，只有夸克和輕子兩種基本粒子。但是，雖然質(zhì)子和中子由夸克組成，這兩類重子都不可能分解為它們的夸克成分，因為獨立的夸克是不能存在的。所以，盡管質(zhì)子和中子以及其他重子由夸克組成，它們常被看成是基本粒子。

粒子電子發(fā)現(xiàn)

直到19世紀(jì)末，原子一直被認(rèn)為是物質(zhì)的基本建筑砌塊。后來，英國粒子物理學(xué)先驅(qū)、劍橋卡文迪什實驗室的約瑟夫·約翰·湯姆遜(Joseph John Thomson，1856—1944)，發(fā)現(xiàn)原子產(chǎn)生的一種輻射能夠用原子自身分裂出來的帶電微粒流來解釋，知道這種帶電微粒就是電子 。

粒子原子核

既然電子帶負(fù)電荷 ，而原子呈電中性，很明顯，原子內(nèi)部必然有另外的帶正電荷的粒子，以抵消電子的負(fù)電荷。20世紀(jì)初葉，工作于曼徹斯特的新西蘭裔物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford，1871—1937) (后來繼湯姆孫任卡文迪什實驗室主任)證明，這一正電荷與原子的大部分質(zhì)量一起，都集中在很小的中心核內(nèi)。

起初人們認(rèn)為，原子核是電子與荷正電的質(zhì)子的混合物。到了1932年，也在卡文迪什實驗室工作的詹姆斯·查特威克(James Chadwick，1891—1937)才發(fā)現(xiàn)了不帶電的質(zhì)量幾乎與質(zhì)子一樣的中子。于是原子核被解釋成由強核相互作用，或強力，維持在一起的質(zhì)子和中子的集合。

那時，這三種粒子——電子、質(zhì)子和中子

——似乎是構(gòu)成一切物質(zhì)的僅有基本粒子，但宇宙射線研究和粒子加速器中高能粒子束互相轟擊的實驗卻表明，還存在其他類型‘亞原子’粒子；不過這些‘新’粒子是不穩(wěn)定的，它們將迅速‘衰變’成其他粒子簇射，以我們熟悉的電子、質(zhì)子和中子告終。

重要的是應(yīng)該懂得，這些新粒子根本不是存在于粒子加速器中互相轟擊的粒子(如質(zhì)子)的‘內(nèi)部’；它們是從注入加速器的能量中，按照阿爾伯特`愛因斯坦的公式 (或者，在所討論的情況下，更恰當(dāng)?shù)氖?創(chuàng)造出來的。

然而，在它們的短暫壽命期間，它們是具備質(zhì)量和電荷等特征的真正粒子。這樣的粒子，應(yīng)該曾經(jīng)在大爆炸的高能條件下大量出現(xiàn)。

粒子介子

物理學(xué)家不知道如何將這些粒子納入一個圓滿的物理理論，他們試圖解釋這些粒子之間基本力的作用方式。他們這樣做時，仿效光子攜有帶電粒子之間的電磁力，想借助另一類攜帶著力的粒子——介子。但介子又是用什么東西制造的呢？

粒子夸克

1964年物理學(xué)家蓋爾曼提出夸克模型，認(rèn)為強子由更基本的成分組成，這種成分叫做夸克quark。夸克模型經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已被多數(shù)物理學(xué)家接受 。

有一段時期，局面極其混亂。但1960和1970年代發(fā)展的夸克理論使局面趨于明朗?？淇死碚撜J(rèn)為，所有已知粒子可以分成兩族。一族由夸克組成，能夠‘感知’只在夸克之間起作用的強力，叫做強子。另一族叫做輕子，它們不能感知強力，但參與以所謂的弱力做媒介的相互作用(或稱弱相互作用)，比如，放射衰變(包括β衰變)過程就是弱相互作用引起的。強子既能參與強相互作用，也能感知弱力。

粒子輕子

是名副其實的基本粒子，它們不由任何別的東西構(gòu)成。典范的輕子就是電子，電子與另一種叫做中微子(嚴(yán)格說應(yīng)是電子中微子)的輕子相伴生。當(dāng)電子參與放射衰變這類過程時，總有中微子卷入。

由于一些無人知曉的原因，這一基本圖像已經(jīng)復(fù)制了兩次，產(chǎn)生了三‘代’輕子。除電子本身外，還有比較重的叫做μ介子，它們除了比電子重207倍外，完全像是電子；還有一種甚至更重的粒子叫做τ粒子，它的質(zhì)量接近質(zhì)子的兩倍。這兩種重電子各有其自己的中微子，所以輕子族有六種(三對)粒子。雖然μ介子和τ粒子都能在粒子加速器中用能量制造或從宇宙線產(chǎn)生，但它們很快衰變，轉(zhuǎn)化成電子或中微子。

粒子強子族

強子族本身又再分為兩類 。由三個夸克構(gòu)成的粒子叫做重子，就是我們常說的‘物質(zhì)’粒子，包括質(zhì)子和中子(重子和輕子都是費米子族的成員，費米子實際上是普通物質(zhì)粒子的別稱)。由成對的夸克構(gòu)成的粒子叫做介子，它們是攜帶基本力的粒子，盡管還有其他的介子(這些力的載體和其他介子又稱為玻色子)。

只需要兩種夸克(它們的名字很怪，叫做‘上’夸克和‘下’夸克)就能解釋質(zhì)子和中子的結(jié)構(gòu)。一個質(zhì)子由通過強力維持在一起的兩個上夸克和一個下夸克構(gòu)成，而一個中子由通過強力維持在一起的兩個下夸克和一個上夸克構(gòu)成。

力本身可視為膠子的交換，而膠子本身又由夸克對組成，因而是介子。

正如輕子族復(fù)制了三代，夸克族也如此。雖然只需要兩種夸克來解釋質(zhì)子和中子的本質(zhì)，但復(fù)制的兩代夸克卻一代比一代重，其中一代叫做‘奇’夸克和‘粲’夸克，最重的一代叫做‘底’夸克和‘頂’夸克。和重輕子一樣，這些粒子能夠在高能實驗中產(chǎn)生(因而大爆炸時必定大量存在過)，但迅速衰變成它們的較輕對應(yīng)物。雖然不可能分離出單個夸克，但粒子加速器實驗已經(jīng)提供了夸克族所有這六個成員存在的直接證據(jù)；最后一種(頂)夸克是芝加哥費密實驗室的科學(xué)家于2007年找到的。

對夸克的質(zhì)量和其他性質(zhì)的研究表明，不可能有更多代的夸克，只能有三族夸克和三族輕子。幸而標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型也認(rèn)為不可能存在多于三代的粒子；不然的話，極早期宇宙中額外中微子造成的壓力應(yīng)該驅(qū)動宇宙過快地膨脹，從而使留存下來的氦含量與極年老恒星的觀測結(jié)果不符(見αβγ理論、核合成)。這是最美妙的證據(jù)之一，表明粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)兩者的標(biāo)準(zhǔn)模型對宇宙行為的描述，都同基本真理相去不遠(yuǎn)。

但是，除了大爆炸的最早片刻之外，第二和第三代粒子在宇宙的演化或其內(nèi)容物的行為中基本不起作用。我們在宇宙中看到的每樣?xùn)|西都能用兩種夸克(上和下)和兩種輕子(電子和電子中微子)加以說明；確實，由于單個的夸克不能獨立存在，我們看到的每樣?xùn)|西的行為，仍然能夠用1932年就已經(jīng)知道的電子、中子和質(zhì)子再加上電子中微子，以及四種基本力，相當(dāng)準(zhǔn)確地予以近似說明。

粒子電子可分

量子計算機。

英國劍橋大學(xué)日前發(fā)布新聞公報說，該校研究人員和伯明翰大學(xué)的同行合作完成了這項研究。公報稱，電子通常被認(rèn)為不可分。但1981年有物理學(xué)家提出，在某些特殊條件下電子可分裂為帶磁的自旋子和帶電的空穴子。

劍橋大學(xué)研究人員將極細(xì)的“量子金屬絲”置于一塊金屬平板上方，控制其間距離為約30個原子寬度，并將它們置于約零下273攝氏度的超低溫環(huán)境下，然后改變外加磁場，發(fā)現(xiàn)金屬板上的電子在通過量子隧穿效應(yīng)跳躍到金屬絲上時分裂成了自旋子和空穴子 。

研究人員說，人們對電子性質(zhì)的研究曾掀起了半導(dǎo)體革命，使計算機產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，又出現(xiàn)了實際研究自旋子和空穴子性質(zhì)的機會，這可能會促進(jìn)下一代量子計算機的發(fā)展，帶來新一輪的計算機革命。

粒子發(fā)現(xiàn)新粒子

2009年03月27日搜狐科學(xué)消息 ：據(jù)美國《國家地理》雜志報道，科學(xué)家這周宣布，他們在美國伊利諾斯州的費米國家加速器實驗室里發(fā)現(xiàn)了一種奇異的新粒子，完全無法用現(xiàn)有理論對它進(jìn)行解釋，它將可能打破現(xiàn)有物質(zhì)構(gòu)成的所有已知規(guī)則。這個新發(fā)現(xiàn)的粒子稱為Y(4140)，它不符合二種物質(zhì)構(gòu)成的已知模式，甚至科學(xué)家還沒有確定Y(4140)是由什么組成的。

科學(xué)家一直認(rèn)為夸克能以各種行之有效的方式結(jié)合在一起形成其他較大的亞原子粒子，一種模式是由夸克-反夸克對形成的介子，另一種模式是由3個夸克組成的重子，如質(zhì)子和中子?！暗覀儼l(fā)現(xiàn)的這種新粒子不屬于這些夸克組合，這令人驚奇，”美國佛州大學(xué)的雅各布·科尼格斯伯格說，“據(jù)我們所知，如果你試圖將夸克-反夸克對組合在一起，你不可能建造出這種粒子?！?

粒子物理學(xué)家表示，此次發(fā)現(xiàn)的Y(4140)粒子是這些實驗室觀察到的具有類似非常規(guī)屬性的粒子家族成員之一，是由二束粒子以近光速的速度彼此劇烈碰撞產(chǎn)生的，這樣發(fā)現(xiàn)新粒子Y(4140)的機率大約為百億億分之二十。費米實驗室的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，Y(4140)粒子在衰變過程中常常產(chǎn)生包含有一個底夸克(稱為B 介子)的粒子。對費米實驗室的數(shù)萬億次質(zhì)子和反質(zhì)子碰撞進(jìn)行篩選后，科學(xué)家們確定了一個以非常規(guī)方式衰變的B 介子的小樣本。進(jìn)一步分析表明，這些B 介子可衰變成Y(4140)。此外，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)Y(4140)粒子可衰變成一對其他粒子———J/psi和phi粒子，物理學(xué)家認(rèn)為它可能是一個粲數(shù)和反粲數(shù)夸克組合。但是，對于這樣的一個構(gòu)成來說，其衰變特性有違常規(guī)。

日本高能實驗室發(fā)言人、物理學(xué)家山內(nèi)正則說，這是首次證實一個新的意想不到的Y態(tài)新粒子可衰變?yōu)镴/psi和phi粒子。這個Y態(tài)可能和之前他們發(fā)現(xiàn)的Y(3940)有關(guān)，也可能是含有粲數(shù)夸克的外來強子的又一個例證。這些外來的夸克組合不屬于已知的介子和重子，理論物理學(xué)家正在對它們的真實性質(zhì)進(jìn)行破解，實驗人員也在繼續(xù)努力尋找更多這樣的粒子。

這一新粒子的發(fā)現(xiàn)向那些深諳夸克如何結(jié)合形成物質(zhì)的粒子物理學(xué)家發(fā)出了挑戰(zhàn)。加上美國宣布發(fā)現(xiàn)了罕見的單頂夸克和其它幾項發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)家實際上離尋獲希格斯玻色子（所謂的上帝粒子）已越來越近了，但他們現(xiàn)不得不重新思考物質(zhì)是如何構(gòu)成的。此研究成果發(fā)表在最新一期出版的《物理評論快報》上。

粒子結(jié)語

但宇宙中的東西大概比我們看到的要多；觀測和理論兩方面都有理由認(rèn)為，宇宙中的暗物質(zhì)比亮物質(zhì)要多得多。暗物質(zhì)的很大部分可能是既非強子、亦非輕子的粒子。不過這是另外的話題了。

反粒子是相對于正常粒子而言的，它們的質(zhì)量、壽命、自旋都與正常粒子相同，但是所有的內(nèi)部相加性量子數(shù)（比如電荷、重子數(shù)、奇異數(shù)等）都與正常粒子大小相同、符號相反。有一些粒子的所有內(nèi)部相加性量子數(shù)都為0，這樣的粒子叫做純中性粒子，反粒子就是它本身，比如光子、π介子等。并不是粒子物理學(xué)中的每種粒子都有這種意義上的反粒子，中微子就沒有反粒子，反中微子的定義與此不同。

反粒子的概念首先是1928年由英國物理學(xué)家狄拉克在他的空穴理論中提出的。1932年在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子，證實了狄拉克的預(yù)言。1956年美國物理學(xué)家歐文·張伯倫（Owen Chamberlain）在勞倫斯-伯克利國家實驗室發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，狄拉克的空穴理論對玻色子不適用，因而不能解釋所有的粒子和反粒子。根據(jù)量子場論，粒子被看作是場的激發(fā)態(tài)，而反粒子就是這種激發(fā)態(tài)對應(yīng)的復(fù)共軛激發(fā)態(tài)。

與卡爾曼濾波（Kalman Filter）相比較

粒子濾波(PF: Particle Filter)的思想基于蒙特卡洛方法(Monte Carlo methods)，它是利用粒子集來表示概率，可以用在任何形式的狀態(tài)空間模型上。其核心思想是通過從后驗概率中抽取的隨機狀態(tài)粒子來表達(dá)其分布，是一種順序重要性采樣法(Sequential Importance Sampling)。簡單來說，粒子濾波法是指通過尋找一組在狀態(tài)空間傳播的隨機樣本對概率密度函數(shù)進(jìn)行近似，以樣本均值代替積分運算，從而獲得狀態(tài)最小方差分布的過程。這里的樣本即指粒子,當(dāng)樣本數(shù)量N→∝時可以逼近任何形式的概率密度分布。

盡管算法中的概率分布只是真實分布的一種近似，但由于非參數(shù)化的特點，它擺脫了解決非線性濾波問題時隨機量必須滿足高斯分布的制約，能表達(dá)比高斯模型更廣泛的分布，也對變量參數(shù)的非線性特性有更強的建模能力。因此，粒子濾波能夠比較精確地表達(dá)基于觀測量和控制量的后驗概率分布，可以用于解決SLAM問題。

粒子濾波的應(yīng)用

粒子濾波技術(shù)在非線性、非高斯系統(tǒng)表現(xiàn)出來的優(yōu)越性，決定了它的應(yīng)用范圍非常廣泛。另外，粒子濾波器的多模態(tài)處理能力，也是它應(yīng)用廣泛的原因之一。國際上，粒子濾波已被應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在經(jīng)濟學(xué)領(lǐng)域，它被應(yīng)用在經(jīng)濟數(shù)據(jù)預(yù)測；在軍事領(lǐng)域已經(jīng)被應(yīng)用于雷達(dá)跟蹤空中飛行物，空對空、空對地的被動式跟蹤；在交通管制領(lǐng)域它被應(yīng)用在對車或人視頻監(jiān)控；它還用于機器人的全局定位。

粒子濾波的缺點

雖然粒子濾波算法可以作為解決SLAM問題的有效手段，但是該算法仍然存在著一些問題。其中最主要的問題是需要用大量的樣本數(shù)量才能很好地近似系統(tǒng)的后驗概率密度。機器人面臨的環(huán)境越復(fù)雜，描述后驗概率分布所需要的樣本數(shù)量就越多，算法的復(fù)雜度就越高。因此，能夠有效地減少樣本數(shù)量的自適應(yīng)采樣策略是該算法的重點。另外，重采樣階段會造成樣本有效性和多樣性的損失，導(dǎo)致樣本貧化現(xiàn)象。如何保持粒子的有效性和多樣性，克服樣本貧化，也是該算法研究重點。

MCMC改進(jìn)策略

馬爾可夫鏈蒙特卡洛(MCMC)方法通過構(gòu)造Markov鏈，產(chǎn)生來自目標(biāo)分布的樣本，并且具有很好的收斂性。在SIS的每次迭代中，結(jié)合MCMC使粒子能夠移動到不同地方，從而可以避免退化現(xiàn)象，而且Markov鏈能將粒子推向更接近狀態(tài)概率密度函數(shù)(probability density function,(PDF))的地方，使樣本分布更合理?；贛CMC改進(jìn)策略的方法有許多，常用的有Gibbs采樣器和MetropolisHasting方法。

Unscented粒子濾波器(UPF)

Unscented Kalman濾波器(UKF)是Julier等人提出的。EKF(Extended Kalman Filter)使用一階Taylor展開式逼近非線性項，用高斯分布近似狀態(tài)分布。UKF類似于EKF，用高斯分布逼近狀態(tài)分布，但不需要線性化只使用少數(shù)幾個稱為Sigma點的樣本。這些點通過非線性模型后，所得均值和方差能夠精確到非線性項Taylor展開式的二階項，從而對非線性濾波精度更高。Merwe等人提出使用UKF產(chǎn)生PF的重要性分布，稱為Unscented粒子濾波器(UPF)，由UKF產(chǎn)生的重要性分布與真實狀態(tài)PDF的支集重疊部分更大，估計精度更高。

Rao－Blackwellised粒子濾波器(RBPF)

在高維狀態(tài)空間中采樣時,PF的效率很低。對某些狀態(tài)空間模型，狀態(tài)向量的一部分在其余部分的條件下的后驗分布可以用解析方法求得，例如某些狀態(tài)是條件線性高斯模型，可用Kalman濾波器得到條件后驗分布，對另外部分狀態(tài)用PF，從而得到一種混合濾波器，降低了PF采樣空間的維數(shù)，RBPF樣本的重要性權(quán)的方差遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于SIR方法的權(quán)的方差，為使用粒子濾波器解決 SLAM問題提供了理論基礎(chǔ)。而Montemerlo等人在2002年首次將Rao-Blackwellised粒子濾波器應(yīng)用到機器人SLAM中，并取名為FastSLAM算法。該算法將SLAM問題分解成機器人定位問題和基于位姿估計的環(huán)境特征位置估計問題，用粒子濾波算法做整個路徑的位置估計，用EKF估計環(huán)境特征的位置，每一個EKF對應(yīng)一個環(huán)境特征。該方法融合EKF和概率方法的優(yōu)點，既降低了計算的復(fù)雜度，又具有較好的魯棒性。

最近幾年，粒子方法又出現(xiàn)了一些新的發(fā)展，一些領(lǐng)域用傳統(tǒng)的分析方法解決不了的問題，現(xiàn)在可以借助基于粒子仿真的方法來解決。在動態(tài)系統(tǒng)的模型選擇、故障檢測、診斷方面，出現(xiàn)了基于粒子的假設(shè)檢驗、粒子多模型、粒子似然度比檢測等方法。在參數(shù)估計方面，通常把靜止的參數(shù)作為擴展的狀態(tài)向量的一部分，但是由于參數(shù)是靜態(tài)的，粒子會很快退化成一個樣本，為避免退化，常用的方法有給靜態(tài)參數(shù)人為增加動態(tài)噪聲以及Kernel平滑方法，而Doucet等提出的點估計方法避免對參數(shù)直接采樣，在粒子框架下使用最大似然估計(ML)以及期望值最大(EM)算法直接估計未知參數(shù)。2100433B