夸克究竟有什么样的性质

夸克究竟有什么样的性质
夸克究竟有什么样的性质

夸克究竟有什么样的性质
一、夸克理论提出的背景
?20世纪50年代以前,科学家们按粒子间作用力的特点把粒子分为三大类：第一类是轻子,只参与弱力、电磁力和引力作用,不参与强力作用,而且自旋为半整数的粒子；第二类是强子,不仅参与弱力、电磁力和引力作用,而且参与强力的粒子．强子又可按其自旋的不同分为两大类：一类其自旋为半整数,统称为重子,如质子、中子等,另一类其自旋为整数或零,统称为介子,如π介子等；第三类是传播子,即传递相互作用的基本粒子,如光子〔2〕．
?由于粒子中绝大多数是强子,而且轻子只有6个（这里没有包括其反粒子）,于是科学家猜测：从某种意义上说,轻子是比强子更基本的粒子,而强子是复合体系,其中包含更少的和更基本的单元,强子是由更简单的粒子——夸克组成的．
?二、夸克名字的由来
?夸克模型是1964年由盖尔曼（Murrey Gell－Mann）和兹威格（G．Zweig）独立引入的,他们认为强子是由三种更基本的粒子组成的．盖尔曼称组成强子的新粒子为夸克（quarks）,而兹威格称它们为爱斯（aces）,像纸牌中爱斯（A）一样〔3〕．盖尔曼借用了詹姆斯·乔埃斯（James Joyce）写的一首题为《芬尼根的彻底祭》的长诗中的一句：“向麦克老大三呼夸克”．这里夸克是海鸟的叫声,用三声称呼三种基本粒子〔4〕．夸克的称呼一直被沿用至今．这些名字,无论夸克或爱斯,仅仅表明作者的俏皮话,并没有必要深究．
?三、最初的三味夸克
?根据夸克模型,通常用u、d、s来代表三个夸克（夸克的总称用q代表）,u（up）称为上夸克,d（down）称为下夸克,s（strange）称为奇异夸克或奇夸克,称三种夸克为三味．他们推测出夸克的各种量子数如表1所示．
? 表1 夸克的量子数
s B Q I Iz S Y
上夸克u 1／2 1／3 2／3 1／2 1／2 0 1／3
下夸克d 1／2 1／3 －1／3 1／2 -1／2 0 1／3
奇夸克s 1／2 1／3 －1／3 0 0 -1 -2／3
? 注：s为粒子的自旋,B为重子数,Q为电荷,I为同位旋,Iz为同位旋分量,S为奇异数,Y＝（B＋S）为超荷〔5〕．
?由表1可知：夸克的性质是奇特的,而且是带分数电荷,这是人们始料不及的．根据强子结构的夸克模型,重子是由三个夸克构成的,如质子p（uud）、中子n（udd）、Ω－（sss）、Δ－（uuu）等,而介子是由正反两种夸克构成的,如π＋（u）、π－（d）等,由夸克的各种量子数可推算出强子对应的量子数,也就是上一层次的性质由下一层次粒子的性质决定的．（注、、为u、d、s的反夸克）
?四、夸克的三色
?在上述粒子中,如Ω－（sss）,Δ＋＋（uuu）,由于夸克是费米子（自旋为半整数的粒子）,夸克都处于基态时,三个相同的夸克处于相同的状态,这违背了泡利不相容原理（泡利不相容原理：对于半整数的费米子,不允许有两个或两个以上相同的粒子处于同一状态）．为解决这个矛盾,1964年格林伯格（D．W．Greenberg）为夸克引入了一个新的量子数——色量子数（这不是光学上真正的颜色的原意,而只是借用了这个名称）,以表示同味夸克还有不同的种类,称之为“色荷”（与电荷类比）．他根据SU（3）群论,指定夸克有三色：红（R）、黄（Y）、绿（G）,如记作ur、uy、ug．这样由带不同色荷的同味夸克构成的粒子就不违反泡利不相容原理．夸克确定具有“色”的第一个证据是在π0介子衰变了两个光为的过程中找到的．
?五?粲夸克的由来
?从1964年起,三夸克模型取得了巨大的成功,并于1968年由费里德曼（Jerome I．Friedman）、肯德尔（Henry W．Kendall）和泰勒（Richard E．Taylor）领导的实验组在斯坦福电子直线加速器上做的电子—质子非弹性散射实验中证实了夸克的存在．该实验结果还表明了质子里的夸克数为3〔6〕．但是,一直到1974年,美籍华人丁肇中在美国布鲁克海汶实验室发现了一个新粒子,命名为J粒子,与此同时里克特（B．Richter）在斯坦福直线加速器中心也找到了同样的粒子,命名为Ψ粒子,现在该粒子叫做J／Ψ粒子．它不能用通常的三味夸克来构成,因此又引入了一种新夸克,用c来表示,c（charm：可爱和迷人的意思）称为粲夸克．J／Ψ粒子是由粲夸克和反粲夸克构成的,粲夸克的最主要特征是它具有了一个新的量子数即粲数C,粲夸克和反粲夸克的粲数分别是＋1和－1．
?六?底夸克和顶夸克的由来
?1977年,雷德曼（Leederman）小组在美国费米实验室发现了新粒子Υ,为解决粒子Υ不得不引入第五种夸克,它被取名为底夸克（bottom）或美（beauty）夸克,用第一个字母“b”来表示．Υ粒子是由底夸克和反底夸克构成的．底夸克的电荷为-1／3,从对称性考虑似乎还应存在一种电荷为＋1／3的夸克,这种夸克被取名为顶夸克（top）或真（truth）第六味夸克,用第一个字母“t”来表示．直到1994年5月,美国费米实验室宣布发现了第六味夸克,据目前的理论,夸克只有六种且已全部被找到．粲夸克、底夸克、顶夸克的量子数如表2所示．
?表2
s B Q I Iz S Y
粲夸克c 1／2 1／3 2／3 0 0 0 4／3
底夸克b 1／2 1／3 －1／3 0 0 0 -2／3
顶夸克t 1／2 1／3 2／3 0 0 0 4／3
在粒子物理学中有一个“标准模型”,这个标准模型告诉我们,组成自然界万事万物的基本粒子是夸克和轻子．夸克构成了中子、质子和所有的原子核．它有六味三色．轻子有带电的和不带电的,带电的轻子是电子e、u子和τ重轻子,不带电的有电子中微子νe,μ子中微子νμ和τ中微子ντ,而且夸克和轻子都是成对的,即有三对夸克和三对轻子．一般称三代：
? 第一代（νe,e）——（u,d）；
? 第二代（νμ,μ）——（c,s）；
? 第三代（ντ,τ）——（t,b）．
?其中第二代、第三代粒子好像是第一代粒子的重复再现,除了子一代比上一代质量大以外,其它物理性质各代都是非常相似的〔7〕．
?七?夸克是如何组成强子的
?量子色动力学认为,带色的夸克通过交换胶子（胶子是强子中的电中性粒子,顾名思义,其作用是使夸克粘合而形成强子,胶子有八种）而结合,即夸克与夸克、或夸克与反夸克、或反夸克与反奈克之间通过胶子而结合在一起．凡带有色荷的粒子能放出和吸收胶子,从而实现强相互作用．吸收和放出胶子可使夸克改变颜色．而原子核内的核力是核子内夸克之间强相互作用力的剩余效应．
?八?夸克的渐近自由和红外禁闭
?在线度大约小于10－14cm、相应能量大于1GeV（1GeV＝109eV）的区域内,夸克之间的距离越小（或能量越高）,则相互作用强度越小,这个结果称为“渐近自由”．在这样的距离上,夸克的行为像是一些独立的粒子,它们之间不存在强相互作用力．然而,当能量大约小于1GeV,距离接近或大于10－13cm时,夸克间的强相互作用力似乎会很快变得非常大,以至于不可能将它们分开到宏观距离而成为自由夸克．这种情况称为“红外禁闭”．强作用的红外禁闭性质表明,自由夸克不能存在,它只能永远被禁闭在强子内〔8〕．
?夸克是否就是自然界中最小的不可再分割的粒子呢?在现在的高能物理的尺寸范围内（10－16cm）,夸克仍是点粒子,没有结构．但有人估计,夸克极有可能是有结构的．我们期待科学的进一步发展．
以上引用