粒子粒子的分类

已经发现的粒子达到400多种。

按照粒子与各种相互作用的不同关系，将粒子分为 ：

粒子媒介子

光子（传递电磁相互作用）

胶子（传递强相互作用）

粒子轻子

电子

电子中微子

μ子和μ子中微子

τ子和τ子中微子

粒子强子

质子

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

顶夸克

各种粒子分别有各自的内禀性质 ，有粒子的质量m（静质量，以能量表示）、寿命τ（平均寿命，指静止系的平均寿命）、电荷Q（以质子的电荷为单位）、自旋J（以为单位）、宇称P、同位旋I、同位旋第3分量I3、重子数B、轻子数Le、、Lr、奇异数S、粲数C 、底数d等等。

在现有实验的精度下，轻子的行为类似点粒子，没有显示出具有内部结构，而强子显示是复合粒子，具有一定的结构。按照现代粒子物理的观点，介子由一对正反夸克构成，重子由3个夸克构成，轻子和夸克属于同一层次。

粒子之间存在着相互作用 ，有强相互作用、电磁相互作用、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。通过这些相互作用，产生新粒子或发生粒子衰变等粒子转化现象。按照参与相互作用的性质将粒子分成以下几类：①规范粒子。即传递相互作用的媒介粒子，已发现的有传递电磁作用的光子和传递弱作用的W、Z粒子。②轻子。不直接参与强作用可直接参与电磁作用和弱作用的粒子，已发现的有电子、μ子、τ子和相伴的电子中微子ve、μ子中微子、τ子中微子及它们的反粒子共12种。③强子。直接参与强作用，也参与电磁作用和弱作用的粒子。其中自旋为整数的强子称为介子，自旋为半整数的强子称为重子。强子的数目众多，其中大部分是通过强作用衰变的粒子，其寿命极短，是不稳定的粒子，也称为共振态。

1897年汤姆生发现电子，1911年卢瑟福提出原子的核式结构。继而我们发现了光子，并认为“光子、电子、质子、中子”是组成物质的不可再分的粒子，所以把它们叫“基本粒子 ”。

19世纪末都认为原子是组成物质的最小微粒。发现了电子、质子和中子后，许多人认为光子和它们是组成物质的“基本粒子”。

逐渐发现了数以百计的不由质子、中子、电子组成的新粒子；又发现质子、中子等本身也有自己的复杂的结构。从20世纪后半期起，就将“基本”二字去掉，统称为粒子。

20世纪30年代以来，人们在对宇宙射线的研究中陆续发现了一些新的粒子。

1932年发现了正电子；

1937年发现了 μ 子；

1947年发现了K介子和 介子；

后来还发现了一些粒子，质量比质子的质量大，叫做超子。

基本粒子是构成一切物质实体的基本成分；也指量子理论中有基本力的粒子。

严格地说，基本粒子是不能再分解为任何组成部分的粒子。在这一定义下，只有夸克和轻子两种基本粒子。但是，虽然质子和中子由夸克组成，这两类重子都不可能分解为它们的夸克成分，因为独立的夸克是不能存在的。所以，尽管质子和中子以及其他重子由夸克组成，它们常被看成是基本粒子。

粒子电子发现

直到19世纪末，原子一直被认为是物质的基本建筑砌块。后来，英国粒子物理学先驱、剑桥卡文迪什实验室的约瑟夫·约翰·汤姆逊(Joseph John Thomson，1856—1944)，发现原子产生的一种辐射能够用原子自身分裂出来的带电微粒流来解释，知道这种带电微粒就是电子 。

粒子原子核

既然电子带负电荷 ，而原子呈电中性，很明显，原子内部必然有另外的带正电荷的粒子，以抵消电子的负电荷。20世纪初叶，工作于曼彻斯特的新西兰裔物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford，1871—1937) (后来继汤姆孙任卡文迪什实验室主任)证明，这一正电荷与原子的大部分质量一起，都集中在很小的中心核内。

起初人们认为，原子核是电子与荷正电的质子的混合物。到了1932年，也在卡文迪什实验室工作的詹姆斯·查特威克(James Chadwick，1891—1937)才发现了不带电的质量几乎与质子一样的中子。于是原子核被解释成由强核相互作用，或强力，维持在一起的质子和中子的集合。

那时，这三种粒子——电子、质子和中子

——似乎是构成一切物质的仅有基本粒子，但宇宙射线研究和粒子加速器中高能粒子束互相轰击的实验却表明，还存在其他类型‘亚原子’粒子；不过这些‘新’粒子是不稳定的，它们将迅速‘衰变’成其他粒子簇射，以我们熟悉的电子、质子和中子告终。

重要的是应该懂得，这些新粒子根本不是存在于粒子加速器中互相轰击的粒子(如质子)的‘内部’；它们是从注入加速器的能量中，按照阿尔伯特`爱因斯坦的公式 (或者，在所讨论的情况下，更恰当的是)创造出来的。

然而，在它们的短暂寿命期间，它们是具备质量和电荷等特征的真正粒子。这样的粒子，应该曾经在大爆炸的高能条件下大量出现。

粒子介子

物理学家不知道如何将这些粒子纳入一个圆满的物理理论，他们试图解释这些粒子之间基本力的作用方式。他们这样做时，仿效光子携有带电粒子之间的电磁力，想借助另一类携带着力的粒子——介子。但介子又是用什么东西制造的呢？

粒子夸克

1964年物理学家盖尔曼提出夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克quark。夸克模型经过几十年的发展，已被多数物理学家接受 。

有一段时期，局面极其混乱。但1960和1970年代发展的夸克理论使局面趋于明朗。夸克理论认为，所有已知粒子可以分成两族。一族由夸克组成，能够‘感知’只在夸克之间起作用的强力，叫做强子。另一族叫做轻子，它们不能感知强力，但参与以所谓的弱力做媒介的相互作用(或称弱相互作用)，比如，放射衰变(包括β衰变)过程就是弱相互作用引起的。强子既能参与强相互作用，也能感知弱力。

粒子轻子

是名副其实的基本粒子，它们不由任何别的东西构成。典范的轻子就是电子，电子与另一种叫做中微子(严格说应是电子中微子)的轻子相伴生。当电子参与放射衰变这类过程时，总有中微子卷入。

由于一些无人知晓的原因，这一基本图像已经复制了两次，产生了三‘代’轻子。除电子本身外，还有比较重的叫做μ介子，它们除了比电子重207倍外，完全像是电子；还有一种甚至更重的粒子叫做τ粒子，它的质量接近质子的两倍。这两种重电子各有其自己的中微子，所以轻子族有六种(三对)粒子。虽然μ介子和τ粒子都能在粒子加速器中用能量制造或从宇宙线产生，但它们很快衰变，转化成电子或中微子。

粒子强子族

强子族本身又再分为两类 。由三个夸克构成的粒子叫做重子，就是我们常说的‘物质’粒子，包括质子和中子(重子和轻子都是费米子族的成员，费米子实际上是普通物质粒子的别称)。由成对的夸克构成的粒子叫做介子，它们是携带基本力的粒子，尽管还有其他的介子(这些力的载体和其他介子又称为玻色子)。

只需要两种夸克(它们的名字很怪，叫做‘上’夸克和‘下’夸克)就能解释质子和中子的结构。一个质子由通过强力维持在一起的两个上夸克和一个下夸克构成，而一个中子由通过强力维持在一起的两个下夸克和一个上夸克构成。

力本身可视为胶子的交换，而胶子本身又由夸克对组成，因而是介子。

正如轻子族复制了三代，夸克族也如此。虽然只需要两种夸克来解释质子和中子的本质，但复制的两代夸克却一代比一代重，其中一代叫做‘奇’夸克和‘粲’夸克，最重的一代叫做‘底’夸克和‘顶’夸克。和重轻子一样，这些粒子能够在高能实验中产生(因而大爆炸时必定大量存在过)，但迅速衰变成它们的较轻对应物。虽然不可能分离出单个夸克，但粒子加速器实验已经提供了夸克族所有这六个成员存在的直接证据；最后一种(顶)夸克是芝加哥费密实验室的科学家于2007年找到的。

对夸克的质量和其他性质的研究表明，不可能有更多代的夸克，只能有三族夸克和三族轻子。幸而标准大爆炸模型也认为不可能存在多于三代的粒子；不然的话，极早期宇宙中额外中微子造成的压力应该驱动宇宙过快地膨胀，从而使留存下来的氦含量与极年老恒星的观测结果不符(见αβγ理论、核合成)。这是最美妙的证据之一，表明粒子物理学和宇宙学两者的标准模型对宇宙行为的描述，都同基本真理相去不远。

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内容物的行为中基本不起作用。我们在宇宙中看到的每样东西都能用两种夸克(上和下)和两种轻子(电子和电子中微子)加以说明；确实，由于单个的夸克不能独立存在，我们看到的每样东西的行为，仍然能够用1932年就已经知道的电子、中子和质子再加上电子中微子，以及四种基本力，相当准确地予以近似说明。

粒子电子可分

量子计算机。

英国剑桥大学日前发布新闻公报说，该校研究人员和伯明翰大学的同行合作完成了这项研究。公报称，电子通常被认为不可分。但1981年有物理学家提出，在某些特殊条件下电子可分裂为带磁的自旋子和带电的空穴子。

剑桥大学研究人员将极细的“量子金属丝”置于一块金属平板上方，控制其间距离为约30个原子宽度，并将它们置于约零下273摄氏度的超低温环境下，然后改变外加磁场，发现金属板上的电子在通过量子隧穿效应跳跃到金属丝上时分裂成了自旋子和空穴子 。

研究人员说，人们对电子性质的研究曾掀起了半导体革命，使计算机产业飞速发展，又出现了实际研究自旋子和空穴子性质的机会，这可能会促进下一代量子计算机的发展，带来新一轮的计算机革命。

粒子发现新粒子

2009年03月27日搜狐科学消息 ：据美国《国家地理》杂志报道，科学家这周宣布，他们在美国伊利诺斯州的费米国家加速器实验室里发现了一种奇异的新粒子，完全无法用现有理论对它进行解释，它将可能打破现有物质构成的所有已知规则。这个新发现的粒子称为Y(4140)，它不符合二种物质构成的已知模式，甚至科学家还没有确定Y(4140)是由什么组成的。

科学家一直认为夸克能以各种行之有效的方式结合在一起形成其他较大的亚原子粒子，一种模式是由夸克-反夸克对形成的介子，另一种模式是由3个夸克组成的重子，如质子和中子。“但我们发现的这种新粒子不属于这些夸克组合，这令人惊奇，”美国佛州大学的雅各布·科尼格斯伯格说，“据我们所知，如果你试图将夸克-反夸克对组合在一起，你不可能建造出这种粒子。”

粒子物理学家表示，此次发现的Y(4140)粒子是这些实验室观察到的具有类似非常规属性的粒子家族成员之一，是由二束粒子以近光速的速度彼此剧烈碰撞产生的，这样发现新粒子Y(4140)的机率大约为百亿亿分之二十。费米实验室的科学家发现，Y(4140)粒子在衰变过程中常常产生包含有一个底夸克(称为B 介子)的粒子。对费米实验室的数万亿次质子和反质子碰撞进行筛选后，科学家们确定了一个以非常规方式衰变的B 介子的小样本。进一步分析表明，这些B 介子可衰变成Y(4140)。此外，科学家还发现Y(4140)粒子可衰变成一对其他粒子———J/psi和phi粒子，物理学家认为它可能是一个粲数和反粲数夸克组合。但是，对于这样的一个构成来说，其衰变特性有违常规。

日本高能实验室发言人、物理学家山内正则说，这是首次证实一个新的意想不到的Y态新粒子可衰变为J/psi和phi粒子。这个Y态可能和之前他们发现的Y(3940)有关，也可能是含有粲数夸克的外来强子的又一个例证。这些外来的夸克组合不属于已知的介子和重子，理论物理学家正在对它们的真实性质进行破解，实验人员也在继续努力寻找更多这样的粒子。

这一新粒子的发现向那些深谙夸克如何结合形成物质的粒子物理学家发出了挑战。加上美国宣布发现了罕见的单顶夸克和其它几项发现，物理学家实际上离寻获希格斯玻色子（所谓的上帝粒子）已越来越近了，但他们现不得不重新思考物质是如何构成的。此研究成果发表在最新一期出版的《物理评论快报》上。

粒子结语

但宇宙中的东西大概比我们看到的要多；观测和理论两方面都有理由认为，宇宙中的暗物质比亮物质要多得多。暗物质的很大部分可能是既非强子、亦非轻子的粒子。不过这是另外的话题了。

反粒子是相对于正常粒子而言的，它们的质量、寿命、自旋都与正常粒子相同，但是所有的内部相加性量子数（比如电荷、重子数、奇异数等）都与正常粒子大小相同、符号相反。有一些粒子的所有内部相加性量子数都为0，这样的粒子叫做纯中性粒子，反粒子就是它本身，比如光子、π介子等。并不是粒子物理学中的每种粒子都有这种意义上的反粒子，中微子就没有反粒子，反中微子的定义与此不同。

反粒子的概念首先是1928年由英国物理学家狄拉克在他的空穴理论中提出的。1932年在宇宙射线中发现了正电子，证实了狄拉克的预言。1956年美国物理学家欧文·张伯伦（Owen Chamberlain）在劳伦斯-伯克利国家实验室发现了反质子。进一步的研究发现，狄拉克的空穴理论对玻色子不适用，因而不能解释所有的粒子和反粒子。根据量子场论，粒子被看作是场的激发态，而反粒子就是这种激发态对应的复共轭激发态。

与卡尔曼滤波（Kalman Filter）相比较

粒子滤波(PF: Particle Filter)的思想基于蒙特卡洛方法(Monte Carlo methods)，它是利用粒子集来表示概率，可以用在任何形式的状态空间模型上。其核心思想是通过从后验概率中抽取的随机状态粒子来表达其分布，是一种顺序重要性采样法(Sequential Importance Sampling)。简单来说，粒子滤波法是指通过寻找一组在状态空间传播的随机样本对概率密度函数进行近似，以样本均值代替积分运算，从而获得状态最小方差分布的过程。这里的样本即指粒子,当样本数量N→∝时可以逼近任何形式的概率密度分布。

尽管算法中的概率分布只是真实分布的一种近似，但由于非参数化的特点，它摆脱了解决非线性滤波问题时随机量必须满足高斯分布的制约，能表达比高斯模型更广泛的分布，也对变量参数的非线性特性有更强的建模能力。因此，粒子滤波能够比较精确地表达基于观测量和控制量的后验概率分布，可以用于解决SLAM问题。

粒子滤波的应用

粒子滤波技术在非线性、非高斯系统表现出来的优越性，决定了它的应用范围非常广泛。另外，粒子滤波器的多模态处理能力，也是它应用广泛的原因之一。国际上，粒子滤波已被应用于各个领域。在经济学领域，它被应用在经济数据预测；在军事领域已经被应用于雷达跟踪空中飞行物，空对空、空对地的被动式跟踪；在交通管制领域它被应用在对车或人视频监控；它还用于机器人的全局定位。

粒子滤波的缺点

虽然粒子滤波算法可以作为解决SLAM问题的有效手段，但是该算法仍然存在着一些问题。其中最主要的问题是需要用大量的样本数量才能很好地近似系统的后验概率密度。机器人面临的环境越复杂，描述后验概率分布所需要的样本数量就越多，算法的复杂度就越高。因此，能够有效地减少样本数量的自适应采样策略是该算法的重点。另外，重采样阶段会造成样本有效性和多样性的损失，导致样本贫化现象。如何保持粒子的有效性和多样性，克服样本贫化，也是该算法研究重点。

MCMC改进策略

马尔可夫链蒙特卡洛(MCMC)方法通过构造Markov链，产生来自目标分布的样本，并且具有很好的收敛性。在SIS的每次迭代中，结合MCMC使粒子能够移动到不同地方，从而可以避免退化现象，而且Markov链能将粒子推向更接近状态概率密度函数(probability density function,(PDF))的地方，使样本分布更合理。基于MCMC改进策略的方法有许多，常用的有Gibbs采样器和MetropolisHasting方法。

Unscented粒子滤波器(UPF)

Unscented Kalman滤波器(UKF)是Julier等人提出的。EKF(Extended Kalman Filter)使用一阶Taylor展开式逼近非线性项，用高斯分布近似状态分布。UKF类似于EKF，用高斯分布逼近状态分布，但不需要线性化只使用少数几个称为Sigma点的样本。这些点通过非线性模型后，所得均值和方差能够精确到非线性项Taylor展开式的二阶项，从而对非线性滤波精度更高。Merwe等人提出使用UKF产生PF的重要性分布，称为Unscented粒子滤波器(UPF)，由UKF产生的重要性分布与真实状态PDF的支集重叠部分更大，估计精度更高。

Rao－Blackwellised粒子滤波器(RBPF)

在高维状态空间中采样时,PF的效率很低。对某些状态空间模型，状态向量的一部分在其余部分的条件下的后验分布可以用解析方法求得，例如某些状态是条件线性高斯模型，可用Kalman滤波器得到条件后验分布，对另外部分状态用PF，从而得到一种混合滤波器，降低了PF采样空间的维数，RBPF样本的重要性权的方差远远低于SIR方法的权的方差，为使用粒子滤波器解决 SLAM问题提供了理论基础。而Montemerlo等人在2002年首次将Rao-Blackwellised粒子滤波器应用到机器人SLAM中，并取名为FastSLAM算法。该算法将SLAM问题分解成机器人定位问题和基于位姿估计的环境特征位置估计问题，用粒子滤波算法做整个路径的位置估计，用EKF估计环境特征的位置，每一个EKF对应一个环境特征。该方法融合EKF和概率方法的优点，既降低了计算的复杂度，又具有较好的鲁棒性。

最近几年，粒子方法又出现了一些新的发展，一些领域用传统的分析方法解决不了的问题，现在可以借助基于粒子仿真的方法来解决。在动态系统的模型选择、故障检测、诊断方面，出现了基于粒子的假设检验、粒子多模型、粒子似然度比检测等方法。在参数估计方面，通常把静止的参数作为扩展的状态向量的一部分，但是由于参数是静态的，粒子会很快退化成一个样本，为避免退化，常用的方法有给静态参数人为增加动态噪声以及Kernel平滑方法，而Doucet等提出的点估计方法避免对参数直接采样，在粒子框架下使用最大似然估计(ML)以及期望值最大(EM)算法直接估计未知参数。2100433B