2020-11-24 15:30:21
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夸克 - 物理名词 免费编辑 修改义项名

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夸克(英语:quark,又译“层子”或“亏子”)是一种基本粒子,也是构成物质的基本单元。夸克互相结合,形成一种复合粒子,叫强子,强子中最稳定的是质子和中子,它们是构成原子核的单元。由于一种叫“夸克禁闭”的现象,夸克不能够直接被观测到,或是被分离出来;只能够在强子里面找到夸克。就是因为这个原因,我们对夸克的所知大都是来自对强子的观测。

折叠 编辑本段 来源

夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》的词句“向麦克老人三呼夸克(Three quarks for Muster Mark)”。无非是指一个质子中有三个夸克。另外夸克在该书中具有多种含义,其中之一是一种海鸟的叫声。他认为,这适合他最初认为“基本粒子不基本、基本电荷非整数”的奇特想法,同时他也指出这只是一个笑话,这是对矫饰的科学语言的反抗。另外,也可能是出于他对鸟类的喜爱。

盖尔曼原本想用鸭的叫声来命名夸克。开始时他并不太确定自己这个新词的实际拼法,直到他在詹姆斯·乔伊斯小说《芬尼根守灵夜》里面找到“夸克”这个词:

向麦克老人三呼夸克!

——《芬尼根守灵夜》,詹姆斯·乔伊斯

盖尔曼在其著作《夸克与美洲豹》中,更详细地述说了夸克这个词的由来:

在1963年,我把核子的基本构成部份命名为“夸克”(quark),我先有的是声音,而没有拼法,所以当时也可以写成“郭克”(kwork)。不久之后,在我偶尔翻阅詹姆斯·乔伊斯所著的《芬尼根守灵夜》时,我在“向麦克老大三呼夸克”这句中看到夸克这个词。由于“夸克”(字面上意为海鸥的叫声)很明显是要跟“麦克”及其他这样的词押韵,所以我要找个借口让它读起来像“郭克”。但是书中代表的是酒馆老板伊厄威克的梦,词源多是同时有好几种。书中的词很多时候是酒馆点酒用的词。所以我认为或许“向麦克老大三呼夸克”源头可能是“敬麦克老大三个夸脱”,那么我要它读“郭克”也不是完全没根据。再怎么样,字句里的三跟自然中夸克的性质完全不谋而合。

茨威格则用“埃斯”(Ace)来称呼他所理论化的粒子,但是在夸克模型被广泛接纳时,盖尔曼的用词就变得很有名。很多中国物理学家则称夸克为“层子”,在台湾亦曾翻译“亏子”,但并不普遍使用。

夸克味的命名都是有原因的。上及下夸克被这样叫,是源于同位旋的上及下分量,而它们确实各自带有这样一个量。奇夸克这个名字,是因为它们是在宇宙射线的奇异粒子中被发现的,发现奇异粒子的时候还没有夸克理论;它们被视为“奇异”,是因为它们的寿命不寻常地长。跟布约肯一起提出粲夸克的格拉肖说过:“我们把它叫粲夸克,是因为在构建它的过程中,见到它为亚原子世界所带来的对称,我们被这种美迷住了,对成果感到很满意。”至于“顶”和“底”这两个名字,哈拉里决定这样做,是因为“它们是上及下夸克逻辑上的伙伴”。在过往,底及顶夸克有时会分别被叫作“美”及“真”夸克,但这两个名字已经很少人会用了。

折叠 编辑本段 概述

夸克夸克(一个质子和一个反质子在高能下碰撞,产生了一对几乎自由的夸克。)

夸克的种类被称为“味”,它们是上、下、粲(魅)、奇、底及顶。上及下夸克的质量是所有夸克中最低的。较重的夸克会通过一个叫粒子衰变的过程,来迅速地变成上或下夸克。粒子衰变是一个从高质量态变成低质量态的过程。就是因为这个原因,上及下夸克一般来说很稳定,所以它们在宇宙中很常见,而奇、魅、顶及底则只能经由高能粒子的碰撞产生(例如宇宙射线及粒子加速器)。

夸克有着多种不同的内在特性,包括电荷、色荷、自旋及质量等。在标准模型中,夸克是唯一一种能经受全部四种基本相互作用的基本粒子,基本相互作用有时会被称为“基本力”(电磁、引力、强相互作用及弱相互作用)。夸克同时是现时已知唯一一种基本电荷非整数的粒子。夸克每一种味都有一种对应的反粒子,叫反夸克,它跟夸克的不同之处,只在于它的一些特性跟夸克大小一样但正负不同。

夸克模型分别由默里·盖尔曼与乔治·茨威格于1964年独立地提出。引入夸克这一概念,是为了能更好地整理各种强子,而当时并没有什么能证实夸克存在的物理证据,直到1968年SLAC开发出深度非弹性散射实验为止。夸克的六种味已经全部被加速器实验所观测到;而最早于1995年在费米实验室被观测到的顶夸克,是最后发现的一种。

六种夸克-内部结构模型图六种夸克-内部结构模型图

折叠 编辑本段 介绍

希格斯玻色子-内部结构模型图希格斯玻色子-内部结构模型图标准模型是描述所有已知基本粒子的理论框架,同时还包括希格斯玻色子。此模型包含六种味的夸克(q):上(u)、下(d)、奇(s)、魅(c)、底(b)及顶(t)。夸克的反粒子叫反夸克,在对应的夸克符号上加一横作为标记,例如u代表反上夸克。跟一般反物质一样,反夸克跟对应的夸克有着相同的质量、平均寿命及自旋,但两者的电荷及其他荷的正负则相反。

夸克的自旋为1⁄2,因此根据自旋统计定理,它们是费米子。它们遵守泡利不相容原理,即两个相同的费米子,不能同时拥有相同的量子态。这点跟玻色子相反(拥有整数自旋的粒子),在相同的量子态上,相同的玻色子没有数量限制。跟轻子不同的是,夸克拥有色荷,因此它们会参与强相互作用。因为这种夸克间吸引力的关系,而形成的复合粒子,叫做“强子”(见下文强相互作用与色荷部份)。

在强子中决定量子数的夸克叫“价夸克”;除了这些夸克,任何强子都可以含有无限量的虚(或“海”)夸克、反夸克,及不影响其量子数的胶子。强子分两种:带三个价夸克的重子,及带一个价夸克和一个反价夸克的介子。最常见的重子是质子和中子,它们是构成原子核的基础材料。我们已经知道有很多不同的强子(见重子列表及介子列表),它们的不同点在于其所含的夸克,及这些内含物所赋予的性质。强子-内部结构模型图强子-内部结构模型图而含有更多价夸克的“奇特重子”,如四夸克粒子(qqqq)及五夸克粒子(qqqqq),目前仍在理论阶段,它们的存在仍未被证实。

基本费米子被分成三代,每一代由两个轻子和两个夸克组成。第一代有上及下夸克,第二代有奇及粲夸克,而第三代则有顶及底夸克。过去所有搜寻第四代基本粒子的研究均以失败告终,又有有力的间接证据支持不会有超过三代。代数较高的粒子,一般会有较大的质量及较低的稳定性,于是它们会通过弱相互作用,衰变成代数较低的粒子。在自然中,只有第一代夸克(上及下)是常见的。较重的夸克只能通过高能碰撞来生成(例如宇宙射线),而且它们很快就会衰变;然而,科学家们相信大爆炸后,第一秒的最早部份会存有重夸克,那时宇宙处于温度及密度极高的状态(夸克时期)。重夸克的实验研究都在人工的环境下进行,例如粒子加速器。

同时拥有电荷、质量、色荷及味,夸克是唯一一种能经受现代物理全部四种相互作用的已知粒子,这四种作用为:电磁、引力、强相互作用及弱相互作用。对于个别粒子的相互作用而言,除非是在极端的能量(普朗克能量)及距离尺度(普朗克距离)下,引力实在是小得微不足道。然而,由于现时仍没有成功的量子引力理论,所以标准模型并不描述引力。

关于六种夸克味更完整的概述,可见于下文中的列表。

折叠 编辑本段 历史

折叠 编辑本段 性质

折叠 抽象概念

夸克模型于1964年由物理学家默里·盖尔曼和乔治·茨威格(George Zweig)独立提出。在这个提案前不久的1961年,盖尔曼提出了一种粒子分类系统,叫“八重道”——或技术上应叫SU(3)味对称。以色列物理学家尤瓦勒·内埃曼(Yuval Ne'eman),在同年亦独立地开发出一套跟八重道相近的理论。

在夸克理论的初期,当时的“粒子动物园”除了其他各种粒子,还包括了许多强子。盖尔曼和茨威格假定它们不是基本粒子,而是由夸克和反夸克组成的。在他们的模型中,夸克有三种味,分别是上、下及奇,他们把电荷及自旋等性质都归因于这些味。初时物理学界对于这份提案的意见不一。当时学界对于夸克的本质有所争论,一方认为夸克是物理实体,另一方则认为,它只是用来解释当时未明物理的抽象概念而已。

折叠 延伸发展

在一年之内,就有人提出了盖尔曼-茨威格模型的延伸方案。谢尔登·李·格拉肖和詹姆斯·布约肯(James Bjorken)预测有第四种夸克存在,他们把它叫做“魅”。加上第四种夸克的原因有三:一、能更好地描述弱相互作用(导致夸克衰变的机制);二、夸克的数量会变得与当时已知的轻子数量一样;三、能产生一条质量方程,可以计算出已知介子的质量。

史丹佛线性加速器中心(SLAC)的深度非弹性散射实验在1968年指出,质子含有比自己小得多的点状物,因此质子并非基本粒子。物理学家当时并不愿意把这些物体视为夸克,反而叫它们做“成子”(parton)——一个由理查德·费曼所创造的新词。随着更多味的发现,在SLAC所观测到的粒子后来被鉴定为上及下夸克。不过,“成子”一词到现在还在使用,是重子构成物(夸克、反夸克和胶子)的总称。

奇夸克的存在由SLAC的散射实验间接证实:奇夸克不但是盖尔曼和茨威格三夸克模型的必要部份,而且还解释到1947年从宇宙射线中发现的K和π强子。

在1971年的一份论文中,格拉肖、约翰·李尔普罗斯和卢奇亚诺·马伊阿尼(Luciano Maiani)一起对当时尚未发现的粲夸克,提出更多它存在的理据。到1973年,小林诚和益川敏英指出再加一对夸克,就能解释实验中观测到的CP破坏[注 3],于是夸克应有的味被提升到现时的六种。

粲夸克在1974年被两个研究小组几乎同时发现(见十一月革命)——一组在SLAC,由伯顿·里克特领导;而另一组则在布鲁克黑文国家实验室,由丁肇中领导。观测到的粲夸克在介子里面,与一个反粲夸克束缚在一起。两组分别为这种介子起了不同的名子:J及ψ;因此这种粒子的正式名子叫J/ψ介子。这个发现终于使物理学界相信夸克模型是正确的。

在之后的几年,有一些把夸克数量增至六个的提案。其中,以色列物理学家哈伊姆·哈拉里(Haim Harari)在1975年的论文中,最早把加上的夸克命名为“顶”及“底”。

底夸克在1977年被利昂·莱德曼领导的费米实验室研究小组观测到。这是一个代表顶夸克存在的有力征兆:没有顶夸克的话,底夸克就没有伴侣。然而一直都没有观测到顶夸克,直至1995年,终于被费米实验室的CDF及DØ小组观测到。它的质量比之前预料的要大得多——几乎跟金原子一样重。

折叠 电荷

夸克的电荷值为分数——基本电荷的−1⁄3倍或+2⁄3倍,随味而定。上、魅及顶夸克(这三种叫“上型夸克”)的电荷为+2⁄3,而下、奇及底夸克(这三种叫“下型夸克”)的则为−1⁄3。反夸克与其所对应的夸克电荷相反;上型反夸克的电荷为−2⁄3,而下型反夸克的电荷则为+1⁄3。由于强子的电荷,为组成它的夸克的电荷总和,所以所有强子的电荷均为整数:三个夸克的组合(重子)、三个反夸克(反重子),或一个夸克配一个反夸克(介子),加起来电荷值都是整数。例如,组成原子核的强子,中子和质子,其电荷分别为0及+1;中子由两个下夸克和一个上夸克组成,而质子则由两个上夸克和一个下夸克组成。

折叠 自旋

基本粒子自旋-内部结构模型图基本粒子自旋-内部结构模型图自旋是基本粒子的一种内在特性,它的方向是一项重要的自由度。在视像化时,有时它会被视为一沿着自己中轴转动的物体(所以名叫“自旋”),但是由于科学家们认为基本粒子应是点粒子,所以上述这个看法有点儿误导。

自旋可以用矢量来代表,其长度可用约化普朗克常数ħ来量度。量度夸克时,在任何轴上量度自旋的矢量分量,结果皆为+ħ/2或−ħ/2;因此夸克是一种自旋1⁄2粒子。沿某一轴(惯例上为z轴)上的旋转分量,一般用上箭头↑来代表+1⁄2,下箭头↓来代表−1⁄2,然后在后加上味的符号。例如,一自旋为+1⁄2的上夸克可被写成u↑。

折叠 弱相互作用

β衰变-内部结构模型图β衰变-内部结构模型图夸克只能通过弱相互作用,由一种味转变成另一种味,弱相互作用是粒子物理学的四种基本相互作用之一。任何上型的夸克(上、魅及顶夸克),都可以通过吸收或释放一W玻色子,而变成下型的夸克(下、奇及底夸克),反之亦然。这种变味机制正是导致β衰变这种放射过程的原因,在β衰变中,一中子(n)“分裂”成一质子(p)、一电子(e−

)及一反电中微子(νe)。在β衰变发生时,中子(udd)内的一下夸克在释放一虚W−玻色子后,随即衰变成一上夸克,于是中子就变成了质子(uud)。随后W−玻色子衰变成一电子及一反电中微子。

强相互作用与色荷

三种色荷夸克-内部结构模型图三种色荷夸克-内部结构模型图夸克有一种叫“色荷”的性质。色荷共分三种,可任意标示为“蓝”、“绿”及“红”每一种色荷都有其对应的反色荷——“反蓝”、“反绿”及“反红”。每一个夸克都带一种色,而每一个反夸克则带一种反色。

掌管夸克[1]间吸引及排斥的系统,是由三种色的各种不同组合所负责,叫强相互作用,它是由一种叫胶子的规范玻色子所传递的;下文中有关于胶子更详细的讨论。描述强相互作用的理论叫量子色动力学(QCD)。一个带某色荷的夸克,可以和一个带对应反色荷的反夸克,一起生成一束缚系统;三个(反)色荷各异的(反)夸克,也就是三种色每种一个,同样也可以束缚在一起。两个互相吸引的夸克会达至色中性:一夸克带色荷ξ,加上一个带色荷−ξ的反夸克,结合后色荷为零(或“白”色),成为一个介子。跟基本光学的颜色叠加一样,把三个色荷互不相同的夸克或三个这样的反夸克组合在一起,就会同样地得到“白”的色荷,成为一个重子或反重子。

在现代粒子物理学中,联系粒子相互作用的,是一种叫规范对称的空间对称群(见规范场论)。色荷SU(3)(一般简写成SU(3)c)是夸克色荷的规范对称,也是量子色动力学的定义对称。物理学定律不受空间的方向(如x、y及z)所限,即使座标轴旋转到一个新方向,定律依然不变,量子色动力学的物理也一样,不受三维色空间的方向影响,色空间的三个方向分别为蓝、红和绿。SU(3)c的色变与色空间的“旋转”相对应(数学上,色空间是复数空间)。每一种夸克味,f,下面都有三种小分类fB、fG和fR,对应三种夸克色蓝、绿和红,形成一个三重态:一股有三个分量的量子场,并且在变换时遵从SU(3)c的基本表示。这个时候SU(3)c应是局部的,这个要求换句话说,就是容许变换随空间及时间而定,所以说这个局部表示决定了强相互作用的性质,尤其是有八种载力用胶子这一点。

折叠 质量

在提及夸克质量时,需要用到两个词:一个是“净夸克质量”,也就是夸克本身的质量;另一个是“组夸克质量”,也就是净夸克质量加上其周围胶子场的质量。这两个质量的数值一般相差甚远。一个强子中的大部份的质量,都属于把夸克束缚起来的胶子,而不是夸克本身。尽管胶子的内在质量为零,它们拥有能量——更准确地,应为量子色动力学束缚能(QCBE)——就是它为强子提供了这么多的质量(见狭义相对论中的质量)。例如,一个质子的质量约为938 MeV/c2,其中三个价夸克大概只有11 MeV/c2;其余大部份质量都可以归咎于胶子的QCBE。

标准模型假定所有基本粒子的质量,都是来自希格斯机制,而这个机制跟希格斯玻色子有关系。顶夸克有着很大的质量,一个顶夸克大约跟一个金原子核一样重(~171 GeV/c2),而透过研究为什么顶夸克的质量那么大,物理学家希望能找到更多有关于夸克,及其他基本粒子的质量来源。

折叠 结构

闭弦 弦理论(string theory),即弦论,是理论物理学上的一门学说。弦论的一个基本观点就是,自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的粒子。这些看起来像粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈(称为闭合弦或闭弦),闭弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子。尽管弦论中的弦尺度非常小,但操控它们性质的基本原理预言,存在着几种尺度较大的薄膜状物体,后者被简称为"膜".直观的说,我们所处的宇宙空间也许就是九维空间中的三维膜.弦论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论。(引自《环球科学》2007年第三期《宇宙是堆三角形?》和2007年第十二期《探寻多重宇宙的证据》)   弦理论是一门理论物理学上的学说。理论里的物理模型认为组成所有物质的最基本单位是一小段“能量弦线”,大至星际银河,小至电子, 质子,夸克一类的基本粒子都是由这占有二度空间的“能量线”所组成。中文的翻译上,一般是译作“弦”。

参考资料

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