夸克被“關(guān)禁閉”？原來(lái)是人類(lèi)沒(méi)法子讓它“現(xiàn)身”……

1974年丁肇中和里克特發(fā)現(xiàn)了J/ψ粒子，1977年萊德曼發(fā)現(xiàn)了Y粒子，至此粲夸克和底夸克也被人們?cè)趯?shí)驗(yàn)中證實(shí)了。這使得夸克模型逐漸深入人心，200多種粒子通過(guò)不同的夸克就可以進(jìn)行分類(lèi)了，唯獨(dú)可惜的是夸克由于夸克禁閉的原因，至今為止還沒(méi)有現(xiàn)身。

夸克為什么會(huì)被關(guān)禁閉呢？之前咱們介紹過(guò)，最早人們發(fā)現(xiàn)夸克禁閉是在SLAC做的一系列實(shí)驗(yàn)當(dāng)中得出的結(jié)論，當(dāng)時(shí)人們使用了接近20GeV能量的電子去轟擊質(zhì)子，結(jié)果發(fā)現(xiàn)質(zhì)子當(dāng)中確實(shí)好像存在一些微小的帶電體，懷疑是夸克。后來(lái)隨著設(shè)備能量的提升，從幾十G到幾百G，到現(xiàn)在已經(jīng)幾百T了，即便這么高的能量，然后再使用質(zhì)子對(duì)撞的方法也不能把夸克撞出來(lái)。所以人們才被迫給出了夸克禁閉的說(shuō)法。再后來(lái)量子色動(dòng)力學(xué)QCD的出現(xiàn)夸克禁閉有了另外一種描述。實(shí)際上早在1965年也就是蓋爾曼提出夸克模型的第二年，量子色動(dòng)力學(xué)QCD就出現(xiàn)了，量子色動(dòng)力學(xué)理論認(rèn)為每一種夸克都具有獨(dú)特的味，也就是有6種味道的夸克，然后每一味夸克又可以具有三種顏色紅、綠、藍(lán)，反夸克具有反顏色，這個(gè)屬性叫做色荷。但是顯然這個(gè)味道和顏色并不是我們理解的味道和顏色，它單純表示了兩種新的量子數(shù)。QCD也是一種場(chǎng)論，所以同樣需要有一種粒子來(lái)傳遞相互作用，也就是夸克與夸克之間的強(qiáng)力由誰(shuí)來(lái)傳遞呢？這個(gè)粒子叫做膠子，膠子一共有8種，就是根據(jù)色荷來(lái)區(qū)分的。至此我們終于知道強(qiáng)子的內(nèi)部構(gòu)成了，由夸克和膠子組成的?？淇藶樯犊床灰?jiàn)呢？現(xiàn)在也可以換一種說(shuō)法了，因?yàn)榻M成強(qiáng)子的每一種夸克必須顏色不同，也就是紅綠藍(lán)各有一種，因此三種顏色疊加就變成了白色，我們看到粒子都是白色的，除了白色，其他顏色的粒子是看不見(jiàn)的，這也被稱作色禁閉。

但你可能會(huì)覺(jué)得，色禁閉這種說(shuō)法也是換湯不換藥，不是本質(zhì)原因，因?yàn)榫瓦B夸克的顏色屬性都是人為規(guī)定的，那色禁閉可信嗎？直到1973年有三個(gè)人在解決其他問(wèn)題的時(shí)候貌似給出了夸克禁閉的另一種解釋。

當(dāng)時(shí)的量子場(chǎng)論出了點(diǎn)小狀況，有一部分人懷疑量子場(chǎng)論不靠譜，理由很簡(jiǎn)單，就是當(dāng)兩個(gè)粒子無(wú)限接近的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)作用力的無(wú)窮大。在物理學(xué)史上這個(gè)無(wú)窮大太可怕了，惹了很多麻煩。舉個(gè)例子，比如說(shuō)引力，兩個(gè)物體的萬(wàn)有引力是和距離的平方成反比的，說(shuō)白了就是距離越近引力就越大。那你就會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)這個(gè)距離趨近于0的時(shí)候，引力就會(huì)是無(wú)窮大。好在宏觀中不存在這個(gè)現(xiàn)象，因?yàn)槲覀冏霾坏綗o(wú)限接近，但是粒子就不一樣了，有些粒子甚至沒(méi)有大小的概念。所以當(dāng)時(shí)物理學(xué)家朗道就懷疑，QCD很可能會(huì)出現(xiàn)這個(gè)作用力無(wú)窮大的現(xiàn)象，他還給起了個(gè)名叫做“朗道奇點(diǎn)”。于是當(dāng)時(shí)有兩個(gè)人就以“朗道奇點(diǎn)”為出發(fā)點(diǎn)，想要去證明QCD有問(wèn)題。這二位是一對(duì)師生，老師叫做格羅斯，學(xué)生叫做維爾切克。QCD的理論基礎(chǔ)是楊-米爾斯規(guī)范場(chǎng)，所以他倆就開(kāi)始研究楊-米爾斯規(guī)范場(chǎng)，試圖證明它是錯(cuò)誤的。結(jié)果，通過(guò)數(shù)學(xué)一頓推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)在數(shù)學(xué)中，楊-米爾斯規(guī)范場(chǎng)中的兩個(gè)粒子無(wú)限接近的時(shí)候，他們的作用力并不是無(wú)窮大的，恰恰相反，而是趨于無(wú)窮小的。在一定范圍內(nèi)，越接近力越弱。當(dāng)時(shí)人們就給這個(gè)現(xiàn)象起了個(gè)名叫做漸進(jìn)自由。也就是在一定范圍內(nèi)粒子越接近它們就越自由，相反離的越遠(yuǎn)，作用力反而更大了。于是他倆就發(fā)表了一篇論文，幾乎與此同時(shí)另外一個(gè)人叫做波利策，他也得到了相同的答案，也發(fā)表了一篇論文。這回好了，不但沒(méi)有證明QCD理論有問(wèn)題，反而讓QCD名聲大噪，因?yàn)闈u進(jìn)自由理論一出現(xiàn)，朗道奇點(diǎn)自然就不會(huì)出現(xiàn)了，而且人們還發(fā)現(xiàn)，漸進(jìn)自由貌似還可以解釋夸克禁閉，就是夸克為啥不能單獨(dú)出現(xiàn)呢？因?yàn)樵较氚芽淇朔珠_(kāi)，強(qiáng)力就會(huì)越大。三個(gè)人更沒(méi)想到，隨著越來(lái)越多漸進(jìn)自由的現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)，時(shí)過(guò)31年，也就是到了2004年他們還獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

那漸進(jìn)自由會(huì)是夸克禁閉的本質(zhì)原因嗎？到了后來(lái)弦理論也試圖給出夸克禁閉的原因，弦理論認(rèn)為夸克之間是由一條弦相連接的，當(dāng)我們?cè)噲D把這個(gè)弦剪斷的時(shí)候，就會(huì)在斷開(kāi)處迅速出現(xiàn)一對(duì)正反夸克對(duì)，這樣這條弦就又有了新的端點(diǎn)，構(gòu)成新粒子了。不過(guò)弦理論本身還沒(méi)有證實(shí)呢，這種解釋自然也不太經(jīng)得住考驗(yàn)。目前人們發(fā)現(xiàn)夸克禁閉很有可能是由于真空的性質(zhì)造成的，但是不是真相現(xiàn)在也未可知。

至此，粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型當(dāng)中的61個(gè)基本粒子就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了60個(gè)了。咱們來(lái)算一算，首先夸克6種，上下奇粲底頂，不過(guò)這只是6種味道，還有色荷呢。顏色有三種，3x6=18 然后再加上相應(yīng)的反粒子，所以夸克一共是36個(gè)。然后輕子6種，電子、μ子、τ子以及電中微子、μ中微子、τ中微子，再加上他們的反粒子，輕子一共是12個(gè)?？淇思由陷p子就是構(gòu)成物質(zhì)的粒子，總共是36+12=48個(gè)。除此之外還有傳遞相互作用力的規(guī)范玻色子，其中有傳遞強(qiáng)力的膠子8種，傳遞電磁力的光子1種，傳遞弱力的W±和Z0三種，一共是12種，48+12剛好60種。那為啥說(shuō)現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)模型有61種基本粒子呢？會(huì)是引力子嗎？不是，引力不在標(biāo)準(zhǔn)模型范圍內(nèi)，所以引力子不算，而且引力子也沒(méi)被證實(shí)呢。最后一個(gè)粒子就是號(hào)稱上帝粒子的希格斯玻色子，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)模型要想成立，希格斯玻色子必須存在，所以人們?cè)诮?biāo)準(zhǔn)模型的時(shí)候就直接把希格斯玻色子放進(jìn)來(lái)了，但是這個(gè)上帝粒子又是什么呢？能不能找到呢？

作者：媽咪說(shuō) 科普創(chuàng)作者

審核：羅會(huì)仟 中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員

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