[科普中國]-夸克禁閉

夸克禁閉是一種物理現(xiàn)象，描述夸克不會(huì)單獨(dú)存在。由于強(qiáng)相互作用力，帶色荷的夸克被限制和其他夸克在一起（兩個(gè)或三個(gè)組成一個(gè)粒子），使得總色荷為零?？淇酥g的作用力隨著距離的增加而增加，因此而不能發(fā)現(xiàn)單獨(dú)存在的夸克。

簡介夸克禁閉是一種物理現(xiàn)象，描述夸克不會(huì)單獨(dú)存在。由于強(qiáng)相互作用力，帶色荷的夸克被限制和其他夸克在一起（兩個(gè)或三個(gè)組成一個(gè)粒子），使得總色荷為零?？淇酥g的作用力隨著距離的增加而增加，因此而不能發(fā)現(xiàn)單獨(dú)存在的夸克。1

產(chǎn)生夸克是在宇宙產(chǎn)生10-10秒后產(chǎn)生的，那時(shí)宇宙的溫度已經(jīng)下降到低于100GeV，這是產(chǎn)生成對(duì)的W和Z粒子的門檻。從那個(gè)時(shí)候起，W和Z粒子接過了進(jìn)行粒子間弱相互作用的任務(wù)而且也不會(huì)單獨(dú)存在，除非在它們產(chǎn)生的地方（短暫的）。宇宙誕生后約10-6~10-3秒之間，其溫度降到夸克不再有足夠的能量自由漫游的程度，而是兩個(gè)或三個(gè)約束在一起。宇宙誕生大約1微秒后，可用能量低于幾百TeV，夸克和反夸克凝聚成重子和反重子?？淇说入x子階段在宇宙起源10-4秒后就結(jié)束了。1

夸克夸克（英語：quark，又譯“層子”或“虧子”）是一種基本粒子，也是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元?？淇嘶ハ嘟Y(jié)合，形成一種復(fù)合粒子，叫強(qiáng)子，強(qiáng)子中最穩(wěn)定的是質(zhì)子和中子，它們是構(gòu)成原子核的單元。由于一種叫“夸克禁閉”的現(xiàn)象，夸克不能夠直接被觀測到，或是被分離出來；只能夠在強(qiáng)子里面找到夸克。因?yàn)檫@個(gè)原因，人類對(duì)夸克的所知大都是來自對(duì)強(qiáng)子的觀測。

夸克有六種“味”，分別是上、下、粲、奇、底及頂。上及下夸克的質(zhì)量是所有夸克中最低的。較重的夸克會(huì)通過一個(gè)叫粒子衰變的過程，來迅速地變成上或下夸克。粒子衰變是一個(gè)從高質(zhì)量態(tài)變成低質(zhì)量態(tài)的過程。就是因?yàn)檫@個(gè)原因，上及下夸克一般來說很穩(wěn)定，所以它們在宇宙中很常見，而奇、粲、頂及底則只能經(jīng)由高能粒子的碰撞產(chǎn)生（例如宇宙射線及粒子加速器）。

夸克有著多種不同的內(nèi)在特性，包括電荷、色荷、自旋及質(zhì)量等。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，夸克是唯一一種能經(jīng)受全部四種基本相互作用的基本粒子，基本相互作用有時(shí)會(huì)被稱為“基本力”（電磁相互作用力、萬有引力、強(qiáng)相互作用力及弱相互作用力）?？淇送瑫r(shí)是現(xiàn)時(shí)已知唯一一種基本電荷非整數(shù)的粒子?？淇嗣恳环N味都有一種對(duì)應(yīng)的反粒子，叫反夸克，它跟夸克的不同之處，只在于它的一些特性跟夸克大小一樣但正負(fù)不同。

夸克模型分別由默里·蓋爾曼與喬治·茨威格于1964年獨(dú)立地提出。引入夸克這一概念，是為了能更好地整理各種強(qiáng)子，而當(dāng)時(shí)并沒有什么能證實(shí)夸克存在的物理證據(jù)，直到1968年SLAC開發(fā)出深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)為止。夸克的六種味已經(jīng)全部被加速器實(shí)驗(yàn)所觀測到；而于1995年在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室被觀測到的頂夸克，是最后發(fā)現(xiàn)的一種。1

強(qiáng)相互作用強(qiáng)相互作用是作用于強(qiáng)子之間的力，是所知四種宇宙間基本作用力最強(qiáng)的，也是作用距離第二短的（大約在 10m 范圍內(nèi)，比弱相互作用的范圍大）。另外三種相互作用分別是引力、電磁力及弱相互作用。核子間的核力就是強(qiáng)相互作用。它抵抗了質(zhì)子之間的強(qiáng)大的電磁力，維持了原子核的穩(wěn)定。強(qiáng)相互作用也將夸克基本粒子結(jié)合成為質(zhì)子及中子等強(qiáng)子，這也是組成大部分物質(zhì)的粒子。而且一般質(zhì)子或中子里，大部分的質(zhì)能是以強(qiáng)相互作用場能量的形式存在，夸克只提供了1%的質(zhì)能。

強(qiáng)相互作用可以在二個(gè)地方看到：較大的尺度（約1至3飛米）下，強(qiáng)相互作用將質(zhì)子及中子結(jié)合成為原子的原子核，較小的尺度（約0.8飛米，約為核子的尺寸）下，強(qiáng)相互作用將夸克結(jié)合，成為質(zhì)子、中子或其他強(qiáng)子。強(qiáng)相互作用的作用力非常強(qiáng)，大到束縛一個(gè)夸克的能量可以轉(zhuǎn)換為新的夸克對(duì)的質(zhì)量，強(qiáng)相互作用的這個(gè)性質(zhì)稱為夸克禁閉。

強(qiáng)相互作用是唯一強(qiáng)度不會(huì)隨距離減小的作用力，但因?yàn)榭淇私]，夸克會(huì)限制和其他夸克在一起，形成的強(qiáng)子之間會(huì)有殘留的強(qiáng)相互作用，也稱為核力，核力會(huì)隨距離而迅速減少。撞擊原子核釋放的部分束縛能和產(chǎn)生的核力有關(guān)，而核力也用在核能及核聚變式的核武器中。

強(qiáng)相互作用一般認(rèn)為是由膠子傳遞的，膠子會(huì)在夸克、反夸克及其他膠子之間交換。膠子會(huì)帶有色荷，色荷和人眼可見的顏色完全沒有關(guān)系，色荷類似電荷，但色荷有六種（紅、綠、藍(lán)、反紅、反綠、反藍(lán)），因此會(huì)形成不同的力，有不同的規(guī)則，在量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）中有描述，這也是夸克-膠子相互作用的基礎(chǔ)。吳秀蘭等科學(xué)家對(duì)膠子發(fā)現(xiàn)有很大貢獻(xiàn)的科學(xué)家，在1995年因此獲得了歐洲物理學(xué)會(huì)髙能和粒子物理獎(jiǎng)。

在大爆炸后，電弱時(shí)期時(shí)，弱電相互作用和強(qiáng)相互作用分離，統(tǒng)一弱相互作用和電磁相互作用的電弱統(tǒng)一理論已經(jīng)獲得實(shí)驗(yàn)證實(shí)?？茖W(xué)家進(jìn)一步預(yù)期有一個(gè)大統(tǒng)一理論可以統(tǒng)一弱電相互作用及強(qiáng)相互作用，現(xiàn)今有許多是大統(tǒng)一理論的理論，第一個(gè)是哈沃德·喬吉和謝爾登·格拉肖于1974年提出了最早的SU(5)大統(tǒng)一理論，但和實(shí)驗(yàn)不合，其他的理論有SO(10)模型、喬吉-格拉肖模型，但還沒有一個(gè)是廣為科學(xué)家接受，且有實(shí)驗(yàn)證實(shí)的理論，而且許多大統(tǒng)一理論都預(yù)言質(zhì)子衰變，但目前也還沒有實(shí)驗(yàn)支持，大統(tǒng)一理論也還是未解決的物理學(xué)問題之一。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

程鵬 - 副教授 - 西南大學(xué)