概论
前言
书中介绍了亚原子微粒的类型和特性，区分了玻色子和费米子，还介绍了希格斯玻色子的发现过程。
对我而言，收获最大的一点就是更加深入的了解了质量的产生过程。
标准模型两条原则：
- 第一原则：所有物质都是由基本粒子组成的。
- 第二原则：所有这些基本粒子之间的相互作用是通过交换其他基本粒子来实现的。
最后展示女权主义和LGBT无疑给本书拉低了档次。不过书中介绍了不少杰出女性比如吴健雄的贡献，这块还是值得阅读的。 实践才能改变刻板印象，而口号只会加深刻板印象。
本书的翻译有点差劲，书中甚至有「一个信息」、「一个数学形式」和「一个波浪」等，译者不是准确使用量词吗？
书籍简介
作者: [加] 宝琳·加尼翁
出版社: 浙江教育出版社
译者: 钱思进
出版年: 2020-4
页数: 256
定价: 52.00元
装帧: 平装
ISBN: 9787553673561
内容简介
宇宙95%的部分，至今仍是个巨大的谜团，但在CERN工作的科学家们却不这么想。对他们来说， 宇宙不是未知，而是未来的知识宝库。位于瑞士的 CERN，是世界最大的粒子物理实验室，无数重大科学成就在此实现。 尽管CERN 设有定期开放日，但外人仍鲜有机会一窥全貌。作者宝琳·加尼翁博士，在CERN工作长达19年，这次她将带领读者实地走访位于地底100米深处的实验室。
从诗意的粒子到壮美的宇宙，物理学家如何在其间探索物质的奥秘？为什么希格斯玻色子的发现那么重要？为什么发现它如此艰难？ CERN 又是怎么发现它的？粒子物理学未来将向何处发展？还有什么新发现值得人们期待？都能在本书中找到答案。
作者简介
宝琳·加尼翁，美国印第安纳大学高级研究科学家（2016年退休）。 出生于加拿大魁北克省，1993年在加州大学圣克鲁兹分校获得粒子物理学博士学位。之后在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）从事研究工作，是CERN 大型强子对撞机上的ATLAS实验国际合作组成员。
退休后一直致力于科普知识的推广工作，在11个国家进行了上百次公开讲座。用她自己的话说——粒子物理太有趣了，不应该只有物理学家知道！
正文摘录
译者序
引言
你们中的很多人可能已经听说过2012年希格斯玻色子的发现和欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）。但是我们现在处在什么阶段？粒子物理学的下一个挑战是什么？下一个重大发现可能是什么？如果你希望更好地理解构成我们周围万物的粒子是什么东西，了解基础研究是如何进行的，并弄清楚现在粒子物理学的状况，请继续读下去。
这是一本为非专业人士撰写的图书，尽可能使用简单的术语。更专业一些的读者也会在这里找到“全局视角”，而它常常在人们开始专门的研究后就被不幸地忽略了。本书旨在用普通人能够理解的、更接地气的方式解释粒子物理学引人入胜的世界，而不必让数学或过于详细的解释模糊了主题。有一些好奇心应该足够了，阅读本书并不需要超出高中水平的高等数学或科学概念的预备知识。
这本书为了保留要点，省略了几个历史节点和数学细节。我们物理学家往往倾向于用绝对正确的嗜好来模糊主题，但这本书恰恰相反。虽然这本书在科学上是正确的，但它的目的是接地气，里面既没有公式也没有复杂的计算。任何拥有最基本兴趣的人都可以读完它而不至于过多地陷入困境，了解到那些诱发了成千上万个从事这类研究的科学家的激情所在。
然而，我也不想亏欠那些喜欢刨根问底的读者，因此在书中提供了他们可以期待的详细信息。这些细节已被收集到正文之中，以减少那些主要想了解概况的读者的阅读量。市场上还有几本更专业的书，可以让热心的读者更深入地阅读。
……
第1章 物质是由什么构成的
什么是物质的最小颗粒？它们如何相互作用而形成我们所观察到的、围绕在我们四周的所有物质？粒子物理的标准模型是当今描述所有这些粒子和它们之间相互作用的理论模型，它给了我们对物质世界的一个清晰的描述。该模型甚至可以预言这些粒子的行为直至非常高的准确度，这些粒子中的每一个粒子又有与之伴随的反粒子。但是，几乎所有的反物质都神秘地从我们的宇宙中消失了。
最小的物质颗粒
质子和中子的结构组分
质子和中子是由夸克组成的。我们通过组合两个上夸克与一个下夸克来获得质子。……中子包含两个下夸克和一个上夸克；……
原子
标准模型
当前的粒子物理理论模型称为标准模型。它来源于两个相当简单的想法，在某种程度上就是模型的基本原则：
- 第一原则：所有物质都是由基本粒子组成的。
- 第二原则：所有这些基本粒子之间的相互作用是通过交换其他基本粒子来实现的。
经过近一个世纪的研究，我们现在知道，自然界中有12种基础的物质颗粒，都是基本粒子。它们分为两类：轻子和夸克。
轻子
轻子 （Lepton）是一种不参与强相互作用 、 自旋为1/2的基本粒子。
轻子是对电子和它的两个伙伴，以及它们对应的中微子的总称。包括电子、μ 子、τ 子以及电子中微子、μ 子中微子、τ 子中微子等6 种基本粒子，加上它们的反粒子，共计12 种轻子。轻子都是基本粒子，没有内部结构。
前文已经提到过，英国物理学家汤姆逊在1897 年发现了电子，并确定电子是一种基本粒子。
1937 年，人们在研究宇宙射线时发现了μ 子。可以说μ 子就是一个胖电子，它的质量是电子的207 倍，其他性质则和电子相同。在穿过地球的宇宙射线中有大量的μ 子，此时此刻就不断地有μ 子从我们的身体中穿过。μ 子的寿命很短，它很快就会衰变成一个μ 子中微子、一个电子和一个反电子中微子。
1976 年，物理学家们又发现了一个更胖的“电子”，它的质量是电子的3479 倍，其他性质则和电子相同，这个粒子被命名为τ 子。τ 子虽然属于轻子，但它的质量并不轻，它的质量已经达到了质子的1.9 倍。τ 子也会迅速衰变，它有三种可能衰变的途径：64.8% 的概率会衰变成τ 子中微子和反π 介子；17.84% 的概率会衰变成τ 子中微子、电子和电子中微子；17.36% 的概率会衰变成 τ 子中微子、μ 子和μ 子中微子。
中微子振荡现象说明中微子确实具有质量。
2010-09-09
既然参与强相互作用的强子是由夸克组成的，那么不参与强相互作用的轻子是由什么组成的呢？电子是第一个被发现的轻子（1897年），随着研究的深入，科学家们陆续发现了其它轻子。
1931年，泡利为了解释β衰变（原子核自发地放出β粒子（电子）使质子和中子相互转变）中的能量和动量失踪的现象，根据守恒定律预言：应该存在着一种还不知道的极其微小的中性粒子带走了β衰变中那一部分能量和动量，当时泡利将这种粒子命名为“中子”。
1932年真正的中子被发现后，美籍意大利科学家费米（Enrica Fermi，1901-1954）将泡利的“中子”正名为“中微子”（Neutrino）。
1933年，费米提出的β衰变定量理论指出：β衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子、一个质子和一个 反中微子（右图）。中微子只参与弱作用，具有最强的穿透力。由于中微子与物质间的相互作用极其微弱，中微子的检测非常困难。
1936年，安德森在宇宙线中发现的比电子约重207倍的粒子，当时误认为是介子，后来发现这种粒子其实并不参与强相互作用是一种轻子，称为μ子。
1942年，中国科学家王淦昌提出了一种利用轨道电子俘获检测中微子的可行方案（K俘获法）。 1952年，美国科学家戴维斯（Raymond Davis Jr.，1914- ）应用王淦昌提出的K俘获法，间接观测到了中微子的存在。
1956年，美国科学家莱因斯（Frederick Reines，1918-1998）和考恩（Clyde Lorrain Cowan，1919-1974）（左图）用核反应堆发出的反中微子与质子碰撞，第一次直接证实了中微子的存在（右图）。
1962年，美国科学家莱德曼、舒瓦茨（Melvin Schwartz，1932- ）（右图左）和斯坦伯格（Jack Steinberger, 1921- ）（右图右）在美国布鲁克海文国家实验室的加速器上用质子束打击铍靶的实验中发现中微子有“味道”的属性，证实与μ子相伴的μ子中微子nμ和与电子相伴的电子中微子ne是不同的中微子 （第三、四种轻子）。一年以后，布鲁克海 文的结果又在欧洲核子中心和费米实验室被更高的统计结果所证实。
1975年，美国科学家佩尔（Martin L.Perl,1927- )（左图）等人在美国SLAC实验室的SPEAR正负电子对撞机上发现了一个比质子重两倍，比电子重3500倍的新粒子，其特性类似于电子和μ子。经过反复检验，证明是在电子和μ子之外的又一种轻子 （第五种轻子），以希腊字母τ 表示（取自Triton（氚核）的第一个字母）。因为τ 轻子比第一个被发现的轻子——电子重很多，也称它为重轻子。同时有实验迹象表明，存在与重轻子τ 相伴的中微子nτ，相应地存在τ 轻子数守恒。重轻子及其相伴的中微子的发现，轻子由4种增加到6种。因为中微子是轻子的“前辈”，τ 轻子的发现理论上意味着τ中微子的存在。但由于τ 中微子几乎没有质量，又不带电，且几乎不与周围物质相互作用，一直难寻踪迹。
1982年，美国费米实验室科学家用实验支持了τ 子中微子存在的假设。
1989年，欧洲核子研究中心科学家证实τ 子中微子应是最后一类中微子，但没有找到直接的证据。
1994年，美国加利福尼亚大学的维多里奥·保罗内和费米实验室的拜伦·伦德博格提出了“τ 子中微子直接观测器”的构想，1996年，直接观测器在费米国家实验室建造完成。从1997年起，54位来自美国、日本、希腊和韩国的科学家在费米实验室合作探测τ 中微子。他们用粒子加速器制造一股可能含有τ 中微子的中微子束，然后让中微子束穿过“τ 中微子直接观测器”（右图）内一个约1米长的铁板靶。这一铁板靶被两层感光乳剂夹着，感光乳剂类似于胶卷，能够“记录”粒子与铁原子核的相互作用。
科学家们用3年时间从靶上的600多万个粒子轨迹中鉴定出了4个表征τ轻子存在和衰变的痕迹，这也是表明τ 中微子存在的关键线索。τ 轻子的痕迹被科学家拍摄下来，并在计算机中形成三维图像，其主要特征就是其轨迹里有个结，这是τ 轻子在形成后迅速衰变的表现。据估算，几十万亿个τ 中微子中只有1个与靶中的铁原子核相互作用并生成一个τ 轻子。由此，科学家第一次找到了τ 中微子（第六种轻子）存在的直接证据。2000年7月21日，费米国家实验室宣布了这一重大成果。
迄今的实验尚未发现轻子有内部结构。人们认为轻子是与夸克属于同一层次的粒子。
夸克
夸克（英语：quark）是一种参与强相互作用的基本粒子，也是构成物质的基本单元。夸克互相结合，形成一种复合粒子，叫强子。强子中最稳定的是质子和中子，它们是构成原子核的单元。由于一种叫“夸克禁闭”的现象，夸克不能够直接被观测到，或是被分离出来，只能够在强子里面找到。基于这个原因，人类对夸克的所知大都是间接的来自对强子的观测。
夸克有六种。夸克的种类被称为“味”，它们是上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及顶（t）。上及下夸克的质量是所有夸克中最低的。较重的夸克会通过一个叫粒子衰变的过程，来迅速地变成上或下夸克。粒子衰变是一个从高质量态变成低质量态的过程。就是由于这个原因，上及下夸克一般来说很稳定，所以它们在宇宙中很常见，而奇、粲、顶及底则只能经由高能粒子的碰撞产生（例如宇宙射线及粒子加速器）并很快衰变。
相互作用力的载体
基本相互作用力
引力是唯一一种我们还不知道它的载体的相互作用力。
物质的颗粒，轻子和夸克，都属于一种被称为费米子的粒子，而相互作用力的载体是另一类被称为玻色子的一部分。……
反物质呢？
适合各种口味的粒子们
如今，我们把所有由夸克构成的例子称为强子家族（来自希腊语的hadros，意思是“强”）。一些强子，如 $\pi$介子和$K$介子，由一个夸克和一个反夸克组成。强子家族的这个分支对应于介子（来自希腊语的mesos，“中间”的意思）。其他，如质子和中子，由三个夸克组成；我们称它们为重子（来自希腊语的barus，“重”的意思）。
标准模型的威力
第2章 希格斯玻色子是怎么一回事
新闻媒体已经传播了这样一个信息，说希格斯玻色子把质量赋予了其他基本粒子。事实上，要产生基本粒子的质量需要三个要素：一种机制、一个场和一种玻色子。Brout-Englert-Higgs机制是一个数学形式，它通过公式描述一个物理实体（Brout-Englert-Higgs场）。这个场简单地说就是我们宇宙的属性之一，类似空间和时间等其他属性。而希格斯玻色子则是这个场的激发态，就像一个波浪是海洋水面的一个激发态，希格斯玻色子的发现证实了这个场的存在。
Brout-Englert-Higgs机制
Brout-Englert-Higgs场
Brout-Englert-Higgs场没有场源。这个场几乎是在宇宙大爆炸之后立即出现的，并且自那以后一直渗透到整个宇宙。这个场实际上是空间的一个属性，正如时间和空间的三个维度是我们生活的世界的属性一样。
这个场渗透在我们周围的所有空间，没有它，基本粒子们都会以光速运动。但是一旦这个场出现，这些例子就会因为与这个场相互作用而慢下来。
两条基本原则：
- 能量守恒
- 质量和能量之间的等价关系
是什么将质量赋予复合物质？
Brout-Englert-Higgs场不会给基本粒子造成任何能量损失。
粒子获得了多少质量呢？它与Brout-Englert-Higgs场的相互作用越多，它获得的质量就越多。
那么希格斯玻色子是怎么一回事呢？
第3章 加速器和探测器：发现希格斯玻色子的基本工具
大型强子对撞机（LHC）
超前规划
一个奇特的环形装置
CERN的加速器集群
四大探测器
对撞
探测器
径迹探测系统
磁铁
量能器
μ子探测器
粒子识别
触发
第4章 希格斯玻色子的发现
通过整理在LHC上运行的探测器所收集到的成千上万亿个对撞事例，物理学家们可以选除少数几个有希格斯玻色子特征的事例。先进的统计方法使我们可以从所有其他类型的对撞事例中挑出希格斯玻色子，让科学家们实现“大海捞针”。
衰变道
衰变成夸克
在充裕和干净之间的选择
信号和背景
衰变到4个轻子
更复杂的衰变道
如何避免对结果施加不良影响
统计学的方法
制作希格斯玻色子糖浆的配方
误差范围
最后一程
发现
诺贝尔奖
第5章 宇宙中黑暗的一面
标准模型在很多情况下效果非常好，但它只适用于整个宇宙内容的5%。实际上，我们宇宙中的27%是由一种奇特类型的物质组成的，是某种被称为“暗物质”的神秘东西。剩余的68%的宇宙充斥着一种令人困惑的未知的能量。
但是，有大量的证据证明暗物质是存在的，它在宇宙学中扮演着重要的角色，在所有星系的形成过程中充当着催化剂。我们可以利用引力透镜，通过暗物质的引力效应探测到它的存在。为了能够最先捕捉到暗物质例子，现在若干实验或运行在深层地下，或安装在国际空间站上，或在欧洲核子中心的大型强子对撞机上，正在着手探测工作。
暗物质：隐形但无所不在
旋转的星系
引力透镜
两个星系团的碰撞
当宇宙变得透明时
宇宙微波背景
宇宙的演变
星系的种子和暗物质
模拟宇宙的形成
支持暗物质的证据
两个假设出局
把我们的手放在暗物质上
寻找WIMP
暗物质雨
来自外太空的不明信号
LHC上的暗物质
在LHC上如何产生暗物质？
去找看不见的东西
包含单光子和丢失能量的事例
缺失大量能量的事例
希格斯玻色子是否与暗物质有关？
第6章 超越标准模型，邀请超对称理论来救援
不管标准模型是多么成功，它仍有一些缺陷：例如，它没有解释引力，也没有解释暗物质。显然，应该有一个包容更广的理论，它将基于标准模型，但是更深远。一个看起来比较合理且诱人的被称为“超对称”（SUSY）的理论非常受欢迎，这个理论有各种让我们满意的东西：它基于标准模型，把物质颗粒和相互作用力的载体颗粒统一在了一起，还配备了一种可解释暗物质的理想的候选新粒子。但是，SUSY至今一直没有在实验中被发现。那么，这个理论假设仍有可能是正确的吗？哦，仍有可能！
标准模型：一个美丽但有缺陷的理论
为什么我们需要新的物理？
超对称：一种诱人的理论
有人见过我的超对称粒子吗？
许多自由参数和几种模型
理论上的进展
LHC上超对称粒子的识别标志
希格斯玻色子是超对称粒子吗？
第7章 基础研究能给我们什么好处
所有这些研究都不是免费的。这些花费值得吗？我的回答毫不犹豫：“值。” 多亏了基础研究，人类才对我们周围的物质世界有更好的认识，这已经有很多实例。但是如果考虑基础科学所产生的所有其他效益，将举不胜举。科学研究活动培养出了一支训练有素的员工队伍，这些人在社会发展的很多方面做出了贡献。从基础研究派生出来的经济和技术成就使基础研究成为最佳投资之一，甚至就短期投资而言。
经济回报
为技术发展做出贡献
培训高度专业化的员工队伍
促进和平与国际合作
知识转移
一点援助就能帮上很大的忙
在医学和其他领域的应用
第8章 CERN的实验：独一无二的管理和合作模式
数千个研究人员协同工作，没有直接的监管，自由地决定他们想在何时、何地和如何工作。这现实吗？这正是粒子物理研究中的大型合作组如何运行的模式。这种管理模式支持创新、个人主动性和赋予所有相关人员权力。它简单地依赖整个群体里共有的兴趣，一起去成功地完成他们的实验。这种模式也可能会使很多商业公司获益。
一个共同的目标
一起规划
从主要任务开始
获得所需的工具
巨大的科学野餐
谁来做什么？
动机和宽容
一种致力于研究的生活
民主模式
合作和竞争
第9章 物理研究中的多元化
相比几十年前，现在更多的女性选择物理学研究工作作为她们的职业。但是在欧洲核子中心，尽管情况在持续改进，也只有17.5%的科学家是女性。为什么会这样？如何能使情况更好？女性并不是在这个领域里仅有的处于少数地位的群体。通过在性别、民族、性取向、宗教和体力等方面的多元化，科学一定能发展得更好，科学上的多元化将带来更强的创造力。