今屆諾貝爾物理學獎得獎者是兩位粒子物理學家，他們發現了中微子振盪，證明中微子是有質量的。
甚麼? 中微子振盪? What the hell?
一般常人對物理，特別是粒子物理，總有一總望而生畏，敬而遠之的感覺。其實如果你要完全明白粒子量化的行為，當然牽涉到極高深的數學及抽象理論，但如果你只想明白個大概，其實粒子物理並不是那麼可怕的，甚至是十分幽默有趣。因此史丹福決定借粒子物理學再奪得一諾貝爾獎的時刻，為大家介紹一下最簡化，最淺白的粒子物理理論，讓大家認識一下我們的世界，我們的宇宙，是由甚麼組成的。
首先介紹幾個最基本的概念，其中一些概念有很可愛的又很奇怪的名稱，因為粒子物理學家大多都很幽默的，很喜歡「玩嘢」，特意改一些很貼近生活，不很「科學化」的名稱：
1. 反粒子 (antiparticle)：大家在鏡裡面看到的自己，樣子相同，左右卻調轉。反粒子就好像鏡裡面的粒子，質量相同，但其他的物理性質都調轉，電荷、色電荷、自旋等都調轉。大家聽過正電子掃瞄嗎? 中學不是教電子是帶負電的嗎，為何會有正電子? 原來正電子就是電子的反粒子，質量相同，但電荷調轉。
反粒子構成的物質就是反物質，而反物質和物質一旦相遇，就會互相消滅大家，釋放出巨大能量，這個過程叫做湮滅。大家有看過Dan Brown的《天使與魔鬼》嗎? 小說也好，電影也好。那差點把梵蒂岡完全炸毀的，就是從CERN偷出來的反物質。
2. 色電荷 (colour charge)：這概念用電荷來做比喻比較好解釋。很久以前，科學家發現物質有種特性，該特性有兩種狀態，兩種相同狀態會互相排斥，兩種不同狀態會互相吸引，他們加起來又會互相抵銷。科學家想用一個人們常用的概念去為它命名，令大家都容易理解，所以有了「正電荷」及「負電荷」兩個概念，其實「正電荷」沒有甚麼「正」，「負電荷」也沒有甚麼「負」，只不過電荷剛好有兩種狀態，正負同樣是兩個狀態，所以用此命名，易於理解。其實假如當初科學家把它命名為「左、右」、「上、下」，其實一樣可以呀。
同樣地，後來科學家又發現了另一種特性，今次有三種狀態，於是科學家就以顏色做類比，把三種狀態命名為「紅、藍、綠」這三原色，把這特性稱為「色電荷」。其實紅粒子不是紅色，藍粒子不是藍色，綠粒子不是綠色。道理與正負電荷一樣。
紅光加藍光加綠光會變白光，同樣地紅粒子加藍粒子加綠粒子會變白粒子，而我們世界所有物質，所有獨立存在的粒子，都必須是白色的，所以只有幾個可能組合，分別為「紅 + 藍 + 綠」、「紅 + 反紅」、「藍 + 反藍」、「綠 + 反綠」。反顏色就是之前提及的反粒子的顏色。
3. 味道(flavour) ：甚麼? 顏色之後又有味道? 不錯，早就跟你說過粒子物理學家是很幽默很「玩嘢」的，特別是大名鼎鼎的葛爾曼(Murray Gell-Mann)，他「玩嘢」程度到達極致，曾用佛家的「八重道」為粒子理論命名，另外他又曾用海鷗的叫聲為粒子命名，海鷗quark quark叫，所以有了quark這種粒子，也就是之後會介紹的夸克。
至於味道，有一次葛爾曼與朋友在雪糕店聊天，發現雪糕球好像粒子，不僅色彩繽紛，更有朱古力、雲哩拿等不同味道，於是它就把不同種類的粒子稱為不同的「味道」。今次諾貝爾獎主角中微子就有3種味道。
4. 自旋 (spin)：這概念不太好解，有一點類似經典力學中的角動量。還記得當年A level chemistry教的electronic
structure嗎? 電子有n, l, m, s四個quantum number，當年我們不是有很多甚麼1s2 2s2
2p6 3s2 3p6，有印象嗎?
沒有印象? 好，喚醒一下大家A level記憶。
對，當中的4s1的s就是spin number，自旋數的意思。電子的自旋數，可以是+1/2，或是-1/2。有的印象了嗎?
5. 世代 (generation)：粒子分三個世代，我們的宇宙，有超過99.99…%的物質都是由第一世代粒子組成的，第二第三世代粒子很高質量，也就是很高能量，所以很不穩定，很容易衰變成第一世代的粒子，所以它們只於宇宙開始初期，或經粒子對撞器產生超大能量時才存在。
好，有了這些基本概念後，我們可以慢慢介紹每種基本粒子了。
根據其中一個本世紀最強的物理理論──標準模型(standard model)，最基本的粒子共有三大類，夸克(quarks)、輕子(leptons)及玻色子(bosons)。
夸克(quarks)有6種味道，分別為上(up)、下(down)、魅(charm)、奇(strange)、頂(top)、底(bottom)。其中，up、down為第一世代，charm、strange為第二世代，top、bottom為第三世代。記得之前提過，宇宙絕大多數物質，都是由第一世代粒子組成嗎? 所以我們最常接觸的中子(neutron)、質子(proton)，都是由三粒第一世代夸克，也就是上及下組成的。中子由一上兩下組成，質子由兩上一下組成。
為甚麼是3粒? 因為要3種顏色，紅、藍、綠才能組成白色的中子、質子嘛，還記得嗎?
上、魅、頂有+2/3電荷，下、奇、底有-1/3電荷。所以你計一計，就得到中子帶零電荷，質子帶+1電荷。
由三粒夸克組成的粒子，如中子、質子，叫重子(baryon)，另外一類又兩粒夸克組成的粒子，叫介子(mesons)，它們是由夸克與反夸克結合而成，就顏色而言，它們可以是「紅 + 反紅」、「藍 + 反藍」或「綠 + 反綠」。如香港人較熟悉的諾貝爾物理學得獎者丁肇中發現的J/ψ介子就是由一粒魅夸克和一粒反魅夸克組成。而湯川教授預測的π介子則是又上夸克及下夸克的夸克反夸克組成的。這裡說的湯川教授，不是那個很英俊有型，迷到萬千少女，剛剛新婚令大量師奶連煮飯動力都失去的「神探伽利略」福山雅治，湯川學教授；而是日本第一位諾貝爾獎得獎者湯川秀樹教授。不說你不知道，據聞湯川學的角色原形就是這位日本物理巨人湯川秀樹教授。
6種味道，3種顏色，正反粒子，6x3x2，所以夸克一共有36種。
至於輕子(lepton)，最鼎鼎大名的莫過於初中生都認識的電子(electron)。而渺子(muon)及陶子(tauon)的性質與電子差不多，只不過質量更大而已。電子、渺子及陶子分別是第一、第二及第三世代的粒子。
而今次諾貝爾獎的主角中微子(neutrino)也是輕子。它們有三種味道，對應其他三種輕子，反別是電子中微子、渺子中微子及陶子中微子。
大家會考或dse時學過的beta
decay，是由中子衰變成質子及電子的。但原來這並不是故事的全部，科學家發現在這衰變過程中，有一些能量靜靜消失了，但根據能量守恆定律(conservation of energy)，能量不會自己消失，所以物理學家Pauli提出或者有一種粒子，靜悄悄地帶走了那點能量。「悄悄的我走了，正如我悄悄的來。我揮一揮衣袖，帶走了一點雲彩」，就是那些少許的能量。
中微子是一種神出鬼沒，幽靈般的粒子。它沒有電荷，接近零質量。說它像鬼，因為沒有人看得見鬼，鬼又可以穿透門，穿透牆，飄來飄去。而中微子，一樣沒人看得見，而且它不只可以穿透門，穿透牆，基本上沒有甚麼可以阻擋它，它可以輕易地穿透整個地球，一點困難都沒有！「輕鬆」！在你閱讀這篇文章的時候，已經有不知多少中微子穿過你身了。
這樣孤僻低調的粒子，該如何探測它呢?
Beta decay反應是：中子 → 質子 + 電子 + 反中微子
調轉的反應就是：反中微子 + 質子 → 中子 + 正電子 (這裡談的是電子中微子，其他味道的中微子都類似，只是電子收換成了對應的輕子)
那我們只要用一個滿佈質子的靶子，讓成千上萬中微子撞去，總有少許中微子能撞上質子，而放出正電子。那我們只要探測正電子就好了。正電子很易探測，因為它碰上電子就會湮滅，放出能量，我們就是要探測那些能量。
這個滿佈質子的靶子是甚麼? 是水。 水是H2O，又氫及氧原子組成，氫原子核就是質子啦。所以研究中微子的科學家都是在一個大水槽中工作。下圖就是今屆諾貝爾獎得獎日本科學家梶田隆章仗使用的「超級神岡探測器」。
牆上的圓圈就是探測湮滅能量的儀器。紅圈是工作人員，大家可以想像到這探測器有多大。當它們運作時，整個水槽都會入滿水。想不到原來水槽對粒子物理學都如此有貢獻吧?
輕子、渺子、陶子、電子中微子、渺子中微子、陶子中微子，連同其反粒子，共12種輕子。
好，最後到標準模型中的最後一類粒子──玻色子。
玻色子是傳遞基本作用力的粒子。基本作用力共有四種，反別是重力、電磁力、強作用力及弱作用力。
把蘋果掉到牛頓頭上的就是重力，但重力太複雜，不包括在標準模型內。讓磁鐵吸起金屬的，或讓正負電荷相吸的，就是電磁力。大家中學chemistry讀過的ionic bond、covalent bone、metallic bond、van der Waals force，總之令不同原子，不同分子連在一起的，都是電磁力。令中子及質子在原子中緊貼的，是強力用力，沒有了強作用力，質子們會因正電荷互相排斥而拆散，就再沒有原子了。弱作用力是負責beta decay的力。
萬物一切的力都是這四種力。那麼葉問打日本人用的力是甚麼力? 那是電磁力，因為葉問拳頭表面的質子與日本人表面的質子排斥而產生的。
傳遞電磁力的基本粒子是光子，沒有質量。會考、DSE物理都有教過，不多說了。
傳遞弱作用力的基本粒子是W+玻色子、W-玻色子及Z0玻色子，它們有質量。不但有質量，更是很重。之前提過的beta decay反應是中子衰變成質子、電子及反中微子，但原來如果我們再看深入一點，其實應該是中子衰變成質子及W-玻色子，W-玻色子再衰變成電子及反中微子。在這反應中W-玻色子就做了傳遞弱作用力的工作。科學家後來更發現原來電磁力及弱作用力根本上就是同一種力，只不過光子沒有質量，W+玻色子、W-玻色子及Z0玻色子則很重衰變得很快，所以電磁力可以遠及無限距離，弱作用力則只可以在原子核這個非常短的距離內發生作用。這個理論由粒子物理學家溫伯格(Steven Weinberg)及沙拉姆(Abdus Salam)提出，稱為溫沙理論。純一了電磁力及弱作用力是物理學中非常非常非常重要的突破，現在很多科學家窮一生之力，就是想把其餘兩種力都統一，這個理論可以解釋世界上發生的一切事情，成為「theory of everything」。
傳遞強作用力的基本粒子是膠子(gluon)。膠子與光子一樣，沒有質量，但它卻有很強的色電荷。它們傳遞強作用力，也就是負責把夸克綁在一起。兩個夸克越分開，它們之間就有越多膠子，所以能量就越強。要把兩粒夸克完全分開就需要無限大的能量，因此在我們的宇宙中，夸克永遠被綁在一起，以重子或介子形式存在。從另一個角度思考，因為膠子有很強的色電荷，它們可以交換夸克的顏色，例如紅藍膠子可以把紅夸克交換成藍夸克，所以因為膠子，我們宇宙中單獨存在的粒子必須是白色；因為膠子，夸克不能單獨存在。(夸克不能單獨存在及單獨存在的粒子必須是白色其實是同一意思，因為夸克帶紅、藍、綠色，所以它們自然不能單獨存在。) 膠子共有8種顏色。
36種夸克，12種輕子，8種膠子，連同光子、W+玻色子、W-玻色子及Z0玻色子，共60基本粒子。但標準模型預言共有61種粒子。
最後一種，就是尋尋覓覓近四十多年，在2012年終於被CERN的超級強子對撞器發現，無人不知，無人不曉，震驚全世界，小數可以上得到港聞頭版的科學發現，號稱「上帝粒子」的希格斯玻色子。
(史丹福要去街，打左咁多，post住先，返來介紹埋最後呢隻基本粒子…)
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