原子核内部
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夸克和轻子

当实验物理学家似乎迷失在迷宫中时，理论物理学家摸索着出路。使用极其复杂的数学技巧，他们设法将强子归类到这样的家族中，这意味着所有已知（以及尚未发现的）强子都是由仅六种具有分数电荷的粒子组成的。这方面的主要功劳（以诺贝尔奖的形式）归功于 M. Gell-Mann 和 G. Zweig。

最初，他们考虑强子的一个子集，并开发了一个只有三种这种真正基本粒子的理论。当 Murray Gell-Mann 想到为它们起名字时，他偶然发现了詹姆斯·乔伊斯的《芬尼根的觉醒》。书中第 383 页出现了“三个夸克为 Muster Mark！”这句话（其中 *夸克* 一词是 *夸脱* 和 *嘎嘎* 等词的融合）。他需要一个名字来代表三种粒子，这就是答案。因此 *夸克* 一词应运而生。

后来，该理论被推广到包括所有已知的粒子，这需要六种类型的夸克。现代理论还要求不同轻子的数量应与不同夸克类型的数量相同。根据这些理论，夸克和轻子是真正基本的，也就是说，它们没有内部结构，因此尺寸为零（点状）。因此，世界是由仅 12 种类型的基本构建块组成的，如表 15.4 所示。令人惊讶的是，一个多世纪前在所有其他粒子被发现之前就被发现的电子竟然是其中之一！

**表：15.4** *宇宙的基本构建块。*
家族	基本粒子	符号	电荷	轻子数	重子数	质量 (MeV)
	电子	$e^{-}$	$-1$	1	0	0.511
	μ子	$\mu ^{-}$	$-1$	1	0	105.7
轻子	τ子	$\tau ^{-}$	$-1$	1	0	1777
	电子中微子	$\nu _{e}$	$0$	1	0	$\sim 0$
	μ子中微子	$\nu _{\mu }$	$0$	1	0	$\sim 0$
	τ子中微子	$\nu _{\tau }$	$0$	1	0	$\sim 0$
	上夸克	$u$	$+2/3$	0	1/3	360
	下夸克	$d$	$-1/3$	0	1/3	360
夸克	奇夸克	$s$	$-1/3$	0	1/3	1500
	迷人	$c$	$+2/3$	0	1/3	540
	顶部（真相）	$t$	$+2/3$	0	1/3	174000
	底部（美丽）	$b$	$-1/3$	0	1/3	5000

在盖尔曼使用一个有趣的名字（夸克）来称呼基本粒子之后，基本物理学就被这些名字淹没了。例如，六种夸克类型被称为“味”（对于乳酪来说，这确实很贴切），每种夸克可能存在的三个不同状态被称为“颜色”（红色，绿色，蓝色）等等。现代物理学如此复杂和数学化，以至于在其中工作的人需要这种类型的笑话来“用口味来调味乏味的菜肴”。这些有趣的名字不应该让任何人感到困惑。基本粒子没有任何气味，味道或颜色。这些术语只是简单地表示某些特性（类似于电荷），而这些特性在人类世界中并不存在。

强子

有些粒子能够通过所谓的“强相互作用”相互作用。这些力的另一个名称是“核力”。它们在短距离 ( $\sim 10^{-15}$ m) 非常强，并且当粒子之间的距离增加时会很快消失。所有这些粒子都被称为“强子”。质子和中子是强子的例子。你记得，当试图观察核子内部时，我们了解到存在着各种各样的粒子，更确切地说，是中子。那么，中子是由什么组成的？我们现在知道了夸克，能最终得到答案吗？是的，我们可以。根据现代理论，所有强子都是由夸克组成的。夸克可以组合成两组或三组。两夸克的束缚态被称为“介子”，而三夸克的束缚复合体被称为“重子”。没有其他夸克数可以形成可观测的粒子（最近，实验物理学家和理论物理学家开始积极讨论五夸克存在的可能性，五夸克是五个夸克的束缚复合体）。

核子是重子，因此由三个夸克组成，而π介子是只包含两个夸克的介子，如图 15.7 所示。比较该图和表 15.4，你可以看到为什么夸克具有分数电荷。计算强子的总电荷时，不要忘记反夸克具有相反的电荷。反夸克的重子数也具有相反的符号（负）。这就是为什么介子实际上由一个夸克和一个反夸克组成，以使总重子数为零。

粒子反应

在粒子物理学发展的早期阶段，为了找到各种粒子的组成部分，实验物理学家只是让它们相互碰撞并观察“碎片”。然而，这种简单的方法导致了混乱。例如， $\pi ^{-}$ 介子和质子之间的反应，

{\begin{matrix}\pi ^{-}+p\,\longrightarrow \,K^{0}+\Lambda ^{0}\ ,\end{matrix}}

(15.8)

会暗示（如果被天真地解释的话） $K^{0}$ 或 $\Lambda ^{0}$ 是核子的组成部分，而π介子被整合到另一个“碎片”中。另一方面，相同的碰撞可以从同一个质子中敲出不同的“碎片”。例如，

{\begin{matrix}\pi ^{-}+p\,\longrightarrow \,\pi ^{0}+n\ ,\end{matrix}}

(15.9)

这会导致一个荒谬的暗示，即中子是质子的组成部分。

夸克模型很好地且逻辑地解释了所有这些“谜题”。类似于化学反应只是原子的重排，(15.8 和 15.9) 类型的粒子反应只是夸克的重排。唯一的区别是，与化学不同的是，化学中原子数不会改变，碰撞前的夸克数不一定等于碰撞后的夸克数。这是因为来自一个碰撞粒子的夸克可以与来自另一个粒子的相应反夸克湮灭。此外，如果碰撞足够强大，夸克-反夸克对可以从真空中产生。

以所谓的“夸克流图”的形式描绘粒子变换是方便的。在这样的图上，夸克由线表示，这些线可以被视为显示它们从左到右运动的轨迹。

**图 15.8：** 反应的夸克流图。 $\pi _{}^{-}+p\longrightarrow K^{0}\Lambda _{}^{0}$

例如，图 15.8 中给出的图显示了反应 (15.8) 的夸克重排。如你所见，当介子与质子发生碰撞时，其 ${\bar {u}}$ 夸克与质子中的 $u$ 夸克湮灭。同时， $s{\bar {s}}$ 对从真空中产生。然后， ${\bar {s}}$ 夸克与 $d$ 夸克结合形成奇异介子 $K^{0}$ ，而 $s$ 夸克与 $ud$ 对一起形成奇异重子 $\Lambda ^{0}$ 。

**图：15.9** 反应 $\pi ^{-}+p\,\longrightarrow \,\pi ^{0}+n$

图 15.9 显示了电荷交换反应 (15.9) 的一个更简单的重排过程。你可能想知道为什么 $\pi ^{0}$ 介子中相同味的夸克和反夸克没有湮灭。它们确实湮灭了，但不是立即湮灭。由于这种湮灭， $\pi ^{0}$ 的寿命比 $\pi ^{\pm }$ 的寿命短 1 亿倍（参见表 15.3）。

尽管夸克流图技术很简单，但它是一种非常强大的方法，不仅可以用来解释观察到的反应，还可以用来预测实验中尚未观察到的新反应。知道粒子的夸克组成（这在现代物理手册中都有），你可以画出很多这样的图，描述可能的粒子转化。唯一的要求是保持线段连续。它们只有在相同味的夸克-反夸克对中才能消失或出现。

然而，夸克线的连续性只适用于强相互作用引起的那些过程。事实上， $\beta$ -衰变是一个自由中子（由弱力引起），

{\begin{matrix}n\,\longrightarrow \,p+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}\ ,\end{matrix}}

(15.10)

以及原子核的 $\beta$ -衰变表明夸克可以改变味。特别地， $\beta$ -衰变（15.10 或 15.6）发生是因为 $d$ 夸克转变为 $u$ 夸克，

{\begin{matrix}d\,\longrightarrow \,u+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}\ ,\end{matrix}}

(15.11)

这是由于弱相互作用，如图 15.10 所示。

图：中子 $\beta$ 衰变的夸克流图。

夸克禁闭

此时，一个非常合乎逻辑的问题是，是否有人观察到孤立的夸克？答案是否。为什么？当没有人见过孤立的夸克时，人们如何能如此确信夸克模型呢？

基本上，你无法看到孤立的夸克，因为夸克之间的吸引力不允许它们分离。与所有其他系统不同，夸克之间的吸引力随着它们之间距离的增加而增强。这就像一根连接两个球的橡皮筋。当两个球彼此靠近时，橡皮筋没有伸展，球不会感觉到任何力。但是，如果你试图将两个球分开，橡皮筋就会将它们拉回来。你拉伸橡皮筋越多，力就越强（根据胡克弹性定律）。当然，真正的橡皮筋最终会断裂。夸克之间的力不会发生这种情况。它可以无限增长。这种现象被称为夸克禁闭。

尽管如此，我们确信核子由三个具有分数电荷的夸克组成。一百年前，卢瑟福通过观察带电粒子从原子散射，证明了原子的正电荷集中在一个小的原子核中。如今，类似的实验证明了核子内部存在分数点电荷。

夸克模型实际上比夸克流图复杂得多。它是一个一致的数学理论，解释了大量的实验数据。这就是为什么没有人怀疑它反映了现实。