夸克的特性及相互作用研究

夸克探秘

不能再分割的一种基本粒子

夸克是美国物理学家默里·盖尔曼和茨威格在1964年各自独立提出的。他们认为中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克组成的。一个质子和一个反质子在高能下碰撞，就会产生一对几乎自由的夸克。它们具有分数电荷，是基本电量的2/3或-1/3，自旋为1/2。夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》的词句三声夸克”。夸克在该书中具有多种含义，其中之一是一种海鸟的叫声。盖尔曼认为，这适合他最初认为“基本粒子不基本、基本电荷非整数”的奇特想法，同时他也指出这只是一个笑话，这是对矫饰的科学语言的反抗。另外，也可能是出于他对鸟类的喜爱。

夸克

19世纪末，玛丽·居里打开了原子的大门，证明原子不是物质的最小粒子。很快科学家就发现了两种亚原子粒子：电子和质子。1932年，詹姆斯·查德威克发现了中子，这次科学家们又认为发现了最小粒子。20世纪30年代中期发明了粒子加速器，科学家们能够把中子打碎成质子，把质子打碎成核子，观察碰撞到底能产生什么。20世纪50年代，唐纳德·格拉泽发明了“气泡室”，将亚原子粒子加速到接近光速，然后抛出这个充满氢气的低压气泡室。这些粒子碰撞到质子（氢原子核）后，质子分裂为一群陌生的新粒子。这些粒子从碰撞点扩散时，都会留下一个极其微小的气泡，暴露了它们的踪迹。科学家无法看到粒子本身，却可以看到这些气泡的踪迹。气泡室图像上这些细小的轨迹（每条轨迹表明一个此前未知的粒子的短暂存在）多种多样，数量众多，让科学家既惊奇又困惑。他们甚至无法猜测这些亚原子粒子究竟是什么。盖尔曼认为，如果应用关于自然的几种基本概念，就可能解弄清楚这些粒子。他先假定自然是简单、对称的。他还假定像所有其他自然界中的物质和力一样，这些亚原子粒子是守恒的（即质量、能量和电荷在碰撞中没有丢失，而是保存了下来）。用这些理论做指导，盖尔曼开始对质子分裂时的反应进行分类和简化处理。他创造了一种新的测量方法，称为“奇异性”。这个词是他从量子物理学引入的。奇异性可以测量到每个粒子的量子态。他还假设奇异性在每次反应中都被保存了下来。盖尔曼发现自己可以建立起质子分裂或者合成的简单反应模式。但是有几个模式似乎并不遵循守恒定律。之后他意识到如果质子和中子不是固态物质，而是由3个更小的粒子构成，那么他就可以使所有的碰撞反应都遵循简单的守恒定律了。经过两年的努力，盖尔曼证明了这些更小的粒子肯定存在于质子和中子中。他将之命名为“k-works”，后来缩写为“kworks”。之后不久，他在詹姆斯·乔埃斯的作品中读到一句“三声夸克”，于是将这种新粒s子更名为夸克。

夸克胶子浆(www.xing528.com)

所有的物质都是由原子构成的。世界上存在数千种原子，但原子并非构成物质的最小单元，它的内部还有自己的结构。10^-10米大小的原子内部绝大部分是真空的，中心有极为致密的核，大小约10^-15米。电子绕着原子核运动，其量子式的运动曾困惑了很多人。物质的内部结构正如同俄罗斯套娃一样，打开一层，又出现下一个层次。同理地，原子核也有内部结构：它由质子和中子经强力作用力结合在一起构成。1947年以前，我们只认识质子、中子、电子、μ子等为数不多的几种粒子。人们认为这些粒子就是构成物质的最小单元，称其为“基本粒子”。此后，在宇宙线实验和粒子加速器实验中发现存在了大量其他粒子，如π、Κ、Λ、Ξ、Δ等一百多种。这些粒子中有的寿命很短，产生后很快就蜕变为其他粒子。因此，随着时间的推移，会观测到越来越多的基本粒子。人们不禁要问，后发现的这些粒子还是基本的吗？1961年美国的候世达用波长为德布罗意波长的电子轰击质子，结果发现质子并不是一个几何点，它有大小，半径为10^-15米，电荷就分布在这样一个小空间范围。中子也有大小，半径为10^-15米。1964年盖尔曼假定：前面所说的一百多种“基本粒子”是由满足粒子物理标准模型中SU了对称的三种夸克：上夸克、下夸克、奇异夸克及其反粒子构成，其电荷分别为质子电荷的2/3、-1/3和-1/3。后来人们发现共有6种夸克：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、顶夸克和底夸克。后4种夸克高度不稳定；大多数物质是由前2种夸克组成的。我们通常只取这6种夸克的英文首字母，称作u、d、s、c、t和b。我们还用“味”这个词来形象地区分这6种不同的夸克。不同的夸克除味不同外，其他物理参量的取值不同也有一些区别，比如质量、电荷、自旋、重子数、轻子数，同位旋量子数等。夸克有一个奇异的物理量：色量子数。每种味的夸克另有3种不同的颜色，由于夸克带电，每种夸克另外存在自己的反夸克，因此，总共存在6×3×2=36种夸克。在这个范围内电荷密度有正有负。

夸克理论认为，夸克都是被囚禁在粒子内部的，不存在单独的夸克。一些人据此提出反对意见，认为夸克不是真实存在的。然而夸克理论做出的几乎所有预言都与实验测量符合的很好，因此大部分研究者相信夸克理论是正确的。1997年，俄国物理学家戴阿科诺夫等人预测，存在一种由5个夸克组成的粒子，质量比氢原子大50%。2001年，日本物理学家在SP环－8加速器上用伽马射线轰击一片塑料时，发现了五夸克粒子存在的证据。随后得到了美国托马斯·杰斐逊国家加速器实验室和莫斯科理论和实验物理研究所的物理学家们的证实。这种五夸克粒子是由2个上夸克、2个下夸克和1个反奇异夸克组成的，它并不违背粒子物理的标准模型。这是第一次发现多于3个夸克组成的粒子。研究人员认为，这种粒子可能仅是“五夸克”粒子家族中第一个被发现的成员，还有可能存在由4个或6个夸克组成的粒子。

量子色动力学

量子色动力学，是一个描述夸克之间强相互作用的标准动力学理论，它是粒子物理标准模型的一个组成部分。其基本组元是带有分数电荷、自旋为1／2的夸克和自旋为1的胶子。夸克和胶子之间以及胶子之间通过色荷进行相互作用。这种色荷相互作用是规范不变的，可重正化的。按照强子结构的夸克模型，所有的重子都由3个夸克组成，所有介子都由一对正反夸克组成。为了与泡利不相容原理相一致，重子内部的3个夸克分别处于不同的状态，夸克内部存在一种新的自由度，夸克分处于该自由度的不同状态，而重子作为整体并不显示这种内部自由度的性质。这种情形与颜色的情形十分相似，红、蓝、绿3颜色组合为无色，一种颜色和它的互补色组合为无色。因此借用色彩学上的意思，把强子的这种内部自由度称为色自由度，夸克具有色荷，夸克和反夸克的色是互补的，3种不同色荷的夸克组成的重子是无色的，正反夸克组成的介子也是无色的。