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夸克模型

夸克模型分别由默里盖尔曼与乔治茨威格于1964年独立地提出,夸克一词原指一种德国奶酪或海鸥的叫声。默里盖尔曼当初提出这个模型时,并不企求能被物理学家承认,因而它就用了这个幽默的词。夸克模型是关于基本粒子或强子是由更基本的单元夸克所组成的设想。美国物理学家M. 盖尔曼认为强子由夸克组成。夸克有3种: 上夸克(u)、下夸克(d)、奇夸克( s)。3种夸克都有与之相对应的反夸克u、d、s。它们都有可观测的量子数: 夸克u、d、s的自旋数都是1/2,重子数都是1/3,电荷数分别为2/3、-1/3、-1/3,奇导数分别为0、0、1;反夸克u、d、s的自旋数与夸克相同,电荷数、重子数、奇异数则与夸克的符号相反。

1928年,狄拉克将相对论引入量子力学,他建立的狄拉克方程预言:存在与电子具有严格相同的质量,但是电荷符号相反的正电子。

对于物质结构的探索是科学的重要任务,自从有人类出现,这种探索从来没有停止过。在19世纪,人们逐渐弄清楚物质是由分子原子构成的。1932年查德威克发现了中子,人们认识到原子核应由质子和中子构成。人们对物质结构的研究就如剥笋一样层层盘剥下去,每一个层次的发现,都是对物质结构认识的深化。

质子和中子不是点粒子,它们都具有内部结构。在20世纪30年代,理论物理学家认为作为核子的质子和中子是基该粒子,应该象点粒子,根据狄拉克的相对论性波动方程,质子的磁矩是一个单位核磁子,中子由于不带电,因而磁矩是零。但出乎意料的是,实验家斯特恩测得的质子磁矩却为5。6个单位核磁子,中子磁矩也不是零,而是-3。82个单位核磁子,与点粒子理论相悖。这些都清楚地说明质子、中子并不是我们想象的那样简单,它们可能是具有内部结构的。

1932年,安德森在宇宙线实验中观察到:高能光子穿过重原子核附近时可以转化为一个电子和一个质量与电子相同但带有单位正电荷的粒子,从而发现了正电子。狄拉克对正电子的预言得到了实验的证实。

反粒子的存在是电子所特有的性质,如果所有的粒子都有相应的反粒子,首先检验的应该是是否存在质子的反粒子、中子的反粒子。24年后的1956年,美国科学家张伯伦(Owen Chamberlain,1920-2006)等在加速器的实验中发现了反质子,即质量和质子相同,自旋量子数也是1/2,带一个单位负电荷的粒子,接着又发现了反中子。

20世纪60年代,霍夫斯塔特等人用高能电子轰击核子,证明核子电荷呈弥散分布,核子的确具有内部结构[1]。既然核子并不是点粒子,那么其内部的物质是怎样分布的呢?也许有三种情形:或者核子内有一个硬核,核子象一枚桃子;或有许多颗粒,象石榴一样有许多子;或没有颗粒,疏松如棉絮状。具体属哪一种情形,要靠深度非弹性散射实验来作进一步决定。

1961年,盖尔曼在奇异数守恒定律的基础上将对称性运用于基该粒子的分类,即SU(3)对称性。他和以色列物理学家内曼(Yuval Neemann,1925-2006)各自独立地提出了强作用对称性的理论--八重法(eightfold way),按照这一方法,把有相近性质的强作用基该粒子分成一个个的族,并认为每个族成员应有8个。八重法很好地说明了强子的自旋、宇称、电荷、奇异数以及质量等性质的规律性,可以把已知的全部基该粒子归类,并且还给未发现的粒子预留了位置,未发现粒子的特性可以从对称的粒子特性推出。

1964年,美国科学家格林伯格(Oscar Wallace Greenberg)引入了夸克的一种自由度--"颜色"(color)的概念。这里的"颜色"并不是视觉感受到的颜色,而是一种新引入的量子数的代名词,与电子带电荷相类似,夸克带颜色荷。这样,每味夸克就有三种颜色分别是红、绿和蓝。

1964年,盖尔曼和兹韦格(George Zweig,1937-)在强子分类八重法的基础上分别提出了更复杂的夸克模型(相当于基该粒子的"周期表"),他认为中子、质子这一类强子是由更基该的单元--夸克(quark)组成的(一些中国物理学家称其为"层子")。夸克与所有已知的亚原子粒子不同,它们带有分数电荷,例如:+2/3或-1/3。夸克都是两两成对、或三三成群,不可能单独被观测到。它们之间的结合是靠交换胶子,这就是著名的夸克模型。"夸克"一词是盖尔曼从乔伊斯的小说《芬尼根彻夜祭》(Finnegan's Wake)中的诗句改编而来的。

1964年,在氢气泡室实验中果然观测到了盖尔曼预言的新粒子,称为沃米格负(Ω-),并测得其质量为1672.45±0.29 MeV,与理论的预言完全一致。

虽然夸克模型取得了巨大成功,但科学家们对物质微观结构的研究并没有停止。

1974年,美国华裔科学家丁肇中(Samuel Chao Chung Ting,1936-)与美国科学家瑞奇特(Burton Richter,1931-)分别在实验中发现了一种新粒子,称为J/y粒子。它的质量为3.1GeV(1GeV=1000 MeV),比三个质子还重,但寿命却出奇的长。要想解释它,只能假定存在一种新的夸克--粲夸克(charm)(第四种夸克),用字母c来表示,其质量为1.5GeV。介子J/y由粲夸克与反粲夸克构成 (c`c)。

1977年,美国物理学家莱德曼(Leon M。 Lederman,1922-)又发现了一种长寿命的新介子,它的质量为9.5GeV,只能引入第五种夸克--取名为"美"(Beauty)或"底"(Bottom),用字母b代表。介子由底夸克和反底夸克构成 (d`d)。

1994年,美国费米实验室的CDF组在质子-反质子对撞机上发现了一个最重的夸克,质量为176 GeV,取名为顶夸克(top),用字母t代表。科学家们相信这是最后一种夸克了,已经可以得出夸克的完整图像。

质子和中子的组成:一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成,一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成。

夸克也是一种费米子,即有自旋1/2。因为质子、中子的自旋为1/2,那么三个夸克,如果两个自旋向上,一个自旋向下,就可以组成自旋为1/2的质子、中子。J/ψ粒子实际上是由粲夸克反粲夸克组成的夸克对。凡是由三个夸克组成的粒子称为重子, 重子和介子统称强子,因为它们都参与强相互作用,故有此名。原子核中质子间的电斥力十分强,可是原子核照样能够稳定存在,就是由于强相互作用力(核力)将核子们束缚住的。由夸克模型,夸克是带分数电荷的,每个夸克带+2/3e或-1/3e电荷(e为质子电荷单位)。现代粒子物理学认为,夸克共有6种,分别称为上夸克下夸克奇夸克、粲夸克、顶夸克、底夸克,它们组成了所有的强子,如一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成,一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成,则上夸克带 +2/3e电荷,下夸克带-1/3e电荷。上、下夸克的质量略微不同。中子的质量比质子的质量略大一点点,过去认为可能是由于中子、质子的带电量不同造成的,现在看来,这应归于下夸克质量比上夸克质量略大一点点。

量子色动力学(QCD)理论认为,夸克都被囚禁在粒子内部,不存在单独的夸克。有人由此怀疑夸克是否真实存在。然而 这种理论做出的几乎所有预言都与实验测量符合的很好,大部分人相信此理论是正确的。

实验已经证实存在六种不同的夸克,即 u, d, c, s, t, b,称之为六种不同的"味道"(flaver)。

夸克的种类由原来的6种扩展到18种,再加上与它们对应的18种反夸克,自然界一共有36种夸克。

强子是由夸克和胶子组成的复合粒子。根据所带电荷、弱相互作用性质和在相互作用中显现的质量,可以将夸克分成6味,即上夸克(u)、下夸克(d)、粲夸克(c)、奇异夸克(s)、底(美)夸克(b)和顶(真)夸克(t)。

每味夸克按其在强相互作用中的地位又可分为3色,即"红"、"蓝"和"绿"。

夸克(或反夸克)之间的相互作用是通过交换胶子来实现的;夸克所参与的强相互作用的行为和强弱是由夸克所带色荷的大小决定的。3种色荷决定了胶子可以有8种。

从最低的近似来看,介子是由一个夸克和一个反夸克组成,重子是由三个夸克组成。这种组成强子的夸克,称为价夸克。这些价夸克和价反夸克通过不断交换胶子而相互作用。所以,在强子内部,除了上述夸克和反夸克外,还存在数目未知然而是确定的胶子。价夸克决定了强子的性质,正像价电子决定了原子的性质一样。各种强子的不同反映在它们的价夸克(或价反夸克)的不同上。每个强子内部的所有价夸克(或价反夸克)的色性质,保证其整体对外是无色的。

既然在强子内部存在胶子,胶子就可以转化为夸克-反夸克对,夸克-反夸克对又可以湮没为胶子。所以,在强子内部也还存在数目未知然而是确定的夸克-反夸克对。这些夸克称为海夸克,或微夸克。海夸克是强子中数目不定的夸克和反夸克。

介子是由一对价夸克和价反夸克组成的强子,重子是由三个价夸克组成的强子。胶子也能起到价粒子的作用,称为价胶子。胶球是由两个、三个或多个价胶子组成的。四夸克态是由两个价夸克和两个价反夸克组成的强子。混杂子是由一对价夸克、价反夸克和一个价胶子组成的强子。

实验上还没有直接观察到自由状态的夸克和胶子,这是由于色相互作用具有"禁闭"的性质,也就是说,带色粒子之间的色相互作用并不随距离增大而减弱,从而使粒子最终互相独立而处于自由状态。所以,只有由夸克和胶子组成的无色系统才能独立存在,带色的夸克和胶子只能存在这个系统的内部。但在高能物理过程中,被禁闭在强子内部的夸克和胶子又似乎是自由的,无相互作用的,色相互作用的这种性质称为"渐近自由"。

在强子的夸克结构被确认之后,从夸克层次上研究核力的本质,即核力的夸克模型,已经成为核物理的一个重要研究内容。质子和中子都属于强子,都是由夸克构成的。核力的夸克模型认为,夸克是构筑原子核的基本"砖石",它们通过交换胶子实现相互作用。所以说,核力本质上起源于夸克之间的强相互作用。当两个核子相距很近,甚至交叠时,构成核子的夸克结构必然会对核力发生影响,这正是核力的介子场理论在研究核力的短程性质时出现严重困难的原因。所以研究核力的短程性质必然与研究核子的夸克结构以及夸克之间的相互作用及其媒介子胶子密切联系在一起。

人们期待着从理论上将描述核力短程性质的夸克模型,与描述核力长程性质的介子场理论统一起来,进而在夸克模型的框架中得出相当于介子交换效应的核力的长程描述。

人们发现的基本粒子已达300余种,"夸克模型"中的夸克也由3种发展到了6种它们的名字是上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克和底夸克,而且每种夸克还有3种颜色。令人遗憾的是自从"夸克模型"问世后,捕捉夸克的兴趣虽然使不少人为之日夜操劳,奋斗不息,但迄今为止还没有一个夸克被直接从强子内部捕获到。

对强子结构和标准模型研究的一再成功已表明夸克和色场是强子世界的最基该组成部分。尽管如此,强子物理还存在一些悬而未决的困难,如夸克幽禁、质子自旋危机、质子衰变等。

深度非弹性散射实验指用极高能电子去撞击质子或中子,使后者激发到一个个分立的能级即共振态,甚至达到使π介子离化出来的连续激发态。非弹性散射实验会改变质子、中子的静止质量。实验表明,质子、中子内部有一个个点状的准自由的粒子,它们携带有一定动量和角动量。

虽然夸克模型当时取得了许多成功,但也遇到了一些麻烦, 如重子的夸克结构理论指出,象Ω-和Δ++这样的重子可以由三个相同夸克组成,且都处于基态,自旋方向相同,这种在同一能级上存在有三个全同粒子的现象是违反泡利不相容原理的。泡利不相容原理说的是两个费米子是不能处于相同的状态中的。夸克的自旋为半整数,是费米子,当然是不能违反泡利原理的。但物理学家自有办法,为了证明三个夸克是不是全同的,给它们编号,或着上"颜色"(红、绿、蓝),那三个夸克不就不全同了,从而不再违反泡利原理了。的确,在1964年,格林伯格引入了夸克 的这一种自由度--"颜色"的概念。当然这里的"颜色"并不 是视觉感受到的颜色,它是一种新引入的自由度的代名词,与电子带电荷相类似,夸克带颜色荷。这样一来,每味夸克就有三种颜色,夸克的种类一下子由原来的6种扩展到18种,再加上它们的反粒子,那么自然界一共有36种夸克,它们和轻子(如电子、μ子、τ子及其相应的中微子)、规范粒子(如光子、三个传递控制夸克轻子衰变的弱相互作用的中间玻色子、八个传递强(色)相互作用的胶子)一起组成了世界。夸克具有颜色自由度的理论得到了不少实验的支持,在20世纪70年代发展成为强相互作用的重要理论--量子色动力学

夸克模型指出,强子都是由玩基本的粒子夸克组成的,夸克有三种,每种都有它的反夸克。为了数学处理上的方便,夸克模型认为三个夸克分别带有分数单位电荷。据此,夸克模型较好地解释了强子的规律性及其构成。1969年,在美国斯坦福实验室的一台直线加速器上,物理学家们用一群电子轰击质子、中子一类的强子,希望看到这个微小世界中的名堂,结果证实了盖尔曼预言的夸克。人们发现的基本粒子已达300余种,夸克模型中的夸克也由3种发展到了6种它们的名字是上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克和底夸克,而且每种夸克还有3种颜色。

温伯格和萨拉姆等以夸克模型为基础,完成了描述电磁相互作用和弱相互作用的弱电统一理论。他们因此而获1979年诺贝尔物理学奖。科学家们想把强相互作用和引力相互作用也统一进来,但困难比较大,最有希望的理论是超弦理论。

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