原子核内部
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夸克与轻子

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。利用极其复杂的数学技巧，他们设法将强子归类为一些家族，这意味着所有已知（以及尚未发现的）强子都是由只有六种类型、带有分数电荷的粒子构成的。这一成就（以诺贝尔奖的形式）主要归功于 M. Gell-Mann 和 G. Zweig。

起初，他们考虑了强子的一个子集，并开发了一种仅包含三种类型此类真正基本粒子的理论。当 Murray Gell-Mann 思考为它们起名时，他翻阅了 James Joyce 的著作《芬尼根醒酒记》。书中第 383 页出现了一行：“三夸克给 Muster Mark！”（这个词 quark 融合了 quart 和 quack 等词）。他需要一个名字来称呼三种粒子，而这就是答案。因此，术语 quark 就这样诞生了。

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该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粒子，也就是说它们没有内部结构，因此尺寸为零（点状粒子）。因此，世界是由 15.4 表中列出的仅 12 种类型的基本构建块构成的。令人惊奇的是，早在所有其他粒子发现之前一个多世纪就被发现的电子，竟然是其中之一！

**表：15.4** *宇宙的基本构建块。*
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	奇怪	$s$	$-1/3$	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

在盖尔曼使用了一个有趣的名称（夸克）来称呼基本粒子之后，基本物理学就被这些名称所充斥。例如，六种夸克类型被称为风味（对于干酪，这确实很合适），每种夸克可以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研究人员需要这种笑话来用风味调味无味的食物。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属性（类似于电荷），这些属性在人类世界中不存在。

强子

有些粒子可以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。它们在短距离内非常强（ $\sim 10^{-15}$ m)，当粒子间的距离增加时，它们会很快消失。所有这些粒子都被称为强子。质子和中子是强子的例子。请记住，我们在尝试观察核子内部时，尤其是中子时，发现了各种各样的粒子。那么，中子是由什么组成的呢？在了解了夸克之后，我们能最终得到答案吗？是的，我们可以。根据现代理论，所有强子都由夸克组成。夸克可以以两组或三组的形式组合在一起。两夸克的束缚态被称为介子，而三夸克的束缚态被称为重子。没有其他数量的夸克可以形成可观察的粒子（最近，实验学家和理论学家开始积极讨论五夸克存在的可能性，这是一种由五个夸克组成的奇异粒子）。

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。将此图与表 15.4 进行比较，您可以看到为什么夸克具有分数电荷。在计算强子的总电荷时，您不应该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（负数）。这就是为什么介子实际上是由一个夸克和一个反夸克组成，以便总重子数为零。

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，实验学家只是将它们碰撞并观察碎片。然而，这种直接的方法导致了混乱。例如， $\pi ^{-}$ 介子和质子的反应

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

(15.8)

会暗示（如果天真地解释） $K^{0}$ 或 $\Lambda ^{0}$ 是核子的组成部分，而π介子被包含在另一个碎片中。另一方面，相同的碰撞可以从同一个质子中击出不同的碎片。例如，

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

(15.9)

这导致了一个荒谬的建议，即中子是质子的组成部分。

夸克模型很好地解释了所有这些难题。与化学反应只是原子重新排列一样，（15.8 和 15.9）类型的粒子反应只是夸克的重新排列。唯一的区别是，与化学中原子数目不变相比，碰撞前夸克数目不一定等于碰撞后夸克数目。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。

用所谓的夸克流图来描述粒子转换是方便的。在这些图中，夸克用直线表示，这些直线可以被视为显示它们从左到右运动轨迹的轨迹。

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

例如，图 15.8 中的图示展示了反应 (15.8) 的夸克重排。如您所见，当介子与质子发生碰撞时，其 ${\bar {u}}$ 夸克与质子中的 $u$ 夸克发生湮灭。与此同时， $s{\bar {s}}$ 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 $\pi ^{-}+p\,\longrightarrow \,\pi ^{0}+n$ 的夸克流图。

如图 15.9 所示，电荷交换反应 (15.9) 是一种更简单的重排过程。您可能想知道为什么 $\pi ^{0}$ 介子中相同味的夸克和反夸克不会发生湮灭。是的，它们会，但不是立即发生。由于这种湮灭， $\pi ^{0}$ 的寿命比 $\pi ^{\pm }$ 短1亿倍（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，不仅可以解释观察到的反应，还可以预测实验中尚未见到的新反应。了解粒子的夸克组成（可以在现代物理手册中找到），您可以绘制大量此类图，这些图将描述可能的粒子转换。唯一的规则是保持线条连续。它们只能在相同味的夸克-反夸克对消失或出现。

然而，夸克线的连续性仅对强相互作用引起的进程有效。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。特别是， $\beta$ -衰变（15.10 或 15.6）发生是因为 $d$ 夸克转化为 $u$ 夸克，

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

(15.11)

由于弱相互作用，如图 15.10 所示

图：中子的 $\beta$ 衰变的夸克流图。

夸克禁闭

此时，很自然地会问，是否有人观察到孤立的夸克。答案是没有。为什么？以及为什么人们能对夸克模型如此自信，尽管没有人见过孤立的夸克？

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。与其他所有系统形成对比，夸克之间的吸引力随着它们之间距离的增大而增强。这就像一根连接两个球的橡皮绳。当球彼此靠近时，绳子没有拉伸，球之间没有任何作用力。然而，如果你试图将球分开，绳子会将它们拉回来。你拉伸绳子越多，作用力就越强（根据胡克弹性定律）。当然，真正的橡皮绳最终会断裂。而夸克之间的作用力不会断裂。它可以无限增大。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核里。如今，类似的实验证明了核子内部存在分数点状电荷。

夸克模型实际上比夸克流图要复杂得多。它是一个一致的数学理论，可以解释各种各样的实验数据。这就是为什么没有人怀疑它反映了现实的原因。