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夸克禁閉

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我們現(xiàn)在知道,質(zhì)子和中子都是由夸克組成的??墒强淇碎L什么樣呢?

發(fā)明夸克模型的蓋爾曼說,夸克分為三種,分別是上夸克、下夸克和奇異夸克,再加上他們的反夸克,所以夸克一共有6個。所有的強子都是由夸克或者反夸克組成的,因此強子不是基本粒子。強子又可以分為介子和重子。此時介子和重子的定義也不是用質(zhì)量來劃分了,介子是由一個正夸克和一個反夸克組成的,只要滿足這點就是介子,所以個別的介子質(zhì)量也可以大于重子。而重子是由三個夸克組成的,比如說質(zhì)子是由兩個上夸克和一個下夸克組成的,中子是由一個上夸克和兩個下夸克組成的。所有夸克的自旋都是1/2,那介子是正反夸克組成的,自旋就得是整數(shù),因此介子是玻色子。重子是三個夸克組成的,自旋肯定就是分數(shù),所以重子都是費米子。實際上到現(xiàn)在夸克已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了6種了,還有一些奇異強子由四個夸克、五個夸克組成??傊@些都比較抽象,能不能具體點,在實驗種發(fā)現(xiàn)夸克,從而驗證蓋爾曼夸克模型的正確性呢?

1967年SLAC國家加速器實驗室做了一些列實驗,這個實驗室很有名,原名叫斯坦福直線加速器中心,1962年建造,占地426公頃,遠處看就像是一個3千米多長的大炮一樣,用這么長的軌道來加速粒子,當時最高能夠達到22GeV能量。做的實驗是什么呢?就是把電子加速,然后讓它去撞擊質(zhì)子,看看他們的非彈性碰撞。實驗中的質(zhì)子其實用的就是液態(tài)氫。結(jié)果是啥呢?通常印象當中電子應(yīng)該是軟的,質(zhì)子應(yīng)該是硬的,對吧?結(jié)果通過散射數(shù)據(jù)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn),在如此高的能量之下電子更像是一個硬核,質(zhì)子反而感覺軟綿綿的。質(zhì)子里面就像存在一些微小的帶電體一樣,無論物理學(xué)家怎么提高電子的能量質(zhì)子就是不碎,但是質(zhì)子絕對不是一個實心球體,里面有別的東西。

你可能要說,這不就是夸克嘛,這不就證明了蓋爾曼的理論是正確的嗎?還沒有,至此,人們對夸克模型還是半信半疑,你別看蓋爾曼在1969年就獲得了諾貝爾物理學(xué)獎,但那主要是因為他的SU(3)對稱理論也就是八重道,對于粒子的分類和預(yù)言了Ω-粒子的貢獻。比如說知名物理學(xué)家費曼就表示不相信,他在1968年為了解釋剛才說的實驗現(xiàn)象,也提出了一種新模型叫做parton模型,他說質(zhì)子里面是由一種叫做部分子云的東西組成的,這東西就像電子云一樣沒有固定形狀。這是一種場的思想,費曼把量子電動力學(xué)結(jié)合進來了,其實正是在費曼的帶領(lǐng)之下,理論物理學(xué)家才把場論的方法運用到強相互作用當中,也導(dǎo)致了后面出現(xiàn)的量子色動力學(xué)QCD。后來干脆物理學(xué)家各取所需,把部分子模型和夸克模型結(jié)合到了一起,形成了一種叫做夸克-部分子模型的方法。再后來到了1971年CERN就是歐洲核子研究中心建造了一臺質(zhì)子-質(zhì)子對撞機,全名叫交叉碰撞儲存環(huán)簡稱ISR。CERN很有名了,現(xiàn)在世界上最大的粒子物理實驗室,坐落在日內(nèi)瓦,CERN同時也是萬維網(wǎng)就是www網(wǎng)的發(fā)源地,第一個網(wǎng)頁瀏覽器就是在1991年誕生在CERN的。同時CERN還擁有世界上最大的強子對撞機LHC。

1971年物理學(xué)家通過ISR進行質(zhì)子對撞還是不能夠把質(zhì)子撞開,夸克就躲在里面不出來,這是咋回事呢?所以當時人們就給這種現(xiàn)象從理論角度起了個名叫做夸克禁閉。就是說夸克在理論上就是不能夠從質(zhì)子中被撞出來的,你要分離夸克,它們距離越遠,所需要的能量就越高,直到無窮大。這無疑是雪上加霜,本來夸克理論人們就不怎么相信,想要通過實驗驗證,卻又偏偏遇到一個夸克禁閉。這就不禁讓人們懷疑夸克的真實性。

夸克真的存在么?它在理論上確實可以解決一些問題,但是不是僅僅存在于理論上呢?這就像是實在論,如果一個東西我看不見,那它存于不存在還有意義嗎?但如果夸克真實存在的話,夸克禁閉背后的原因又是啥呢?974年華裔美國物理學(xué)家丁肇中站了出來,正是他的貢獻讓夸克理論獲得了一線生機。

作者:媽咪說科普創(chuàng)作者

審核:羅會仟中國科學(xué)院物理研究所副研究員

文章由科普中國-創(chuàng)作培育計劃出品,轉(zhuǎn)載請注明來源。

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