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夸克

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(图)夸克夸克

夸克(Quark)是1964年,美国物理学家默里·盖尔曼G.茨威格各自独立提出的。他们认为中子质子这一类强子是由更基本的单元——夸克组成的。一个质子和一个反质子在高能下碰撞,就会产生一对几乎自由的夸克。它们具有分数电荷,是基本电量的2/3或-1/3倍,自旋为1/2。

 

夸克-周期表夸克-周期表上表注解:
“夸克周期表”有三族(八列)及八个周期能阶(殻层),与“元素周期表”
有八族及七个周期能阶(殻层),极为相似。
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命名编辑本段回目录

夸克結構圖二夸克結構圖二

夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》的词句“为马克检阅者王,三声夸克(Three quarks for Muster Mark)”。夸克在该书中具有多种含义,其中之一是一种海鸟的叫声。默里·盖尔曼认为,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。圖片編輯:張嘉年

夸克結構圖一夸克結構圖一

发现编辑本段回目录

(图)夸克夸克

19世纪接近尾声的时候,玛丽·居里打开了原子的大门,证明原子不是物质的最小粒子。很快科学家就发现了两种亚原子粒子:电子和质子。1932年,詹姆斯·查德威克发现了中子,这次科学家们又认为发现了最小粒子。

20世纪30年代中期发明了粒子加速器,科学家们能够把中子打碎成质子,把质子打碎成为更重的核子,观察碰撞到底能产生什么。20世纪50年代,唐纳德·格拉泽(Donald Glaser)发明了“气泡室”,将亚原子粒子加速到接近光速,然后抛出这个充满氢气的低压气泡室。这些粒子碰撞到质子(氢原子核)后,质子分裂为一群陌生的新粒子。这些粒子从碰撞点扩散时,都会留下一个极其微小的气泡,暴露了它们的踪迹。科学家无法看到粒子本身,却可以看到这些气泡的踪迹。

气泡室图像上这些细小的轨迹(每条轨迹表明一个此前未知的粒子的短暂存在)多种多样,数量众多,让科学家既惊奇又惑。他们甚至无法猜测这些亚原子粒子究竟是什么。
默里·盖尔曼认为,如果应用关于自然的几种基本概念,就可能会弄清楚这些粒子。他先假定自然是简单、对称的。他还假定像所有其他自然界中的物质和力一样,这些亚原子粒子是守恒的(即质量、能量和电荷在碰撞中没有丢失,而是保存了下来)。

用这些理论作指导,盖尔曼开始对质子分裂时的反应进行分类和简化处理。他创造了一种新的测量方法,称为“奇异性(strangness)”。这个词是他从量子物理学引入的。奇异性可以测量到每个粒子的量子态。他还假设奇异性在每次反应中都被保存了下来。

盖尔曼发现自己可以建立起质子分裂或者合成的简单反应模式。但是有几个模式似乎并不遵循守恒定律。之后他意识到如果质子和中子不是固态物质,而是由3个更小的粒子构成,那么他就可以使所有的碰撞反应都遵循简单的守恒定律了。

经过两年的努力,盖尔曼证明了这些更小的粒子肯定存在于质子和中子中。他将之命名为“k-works”,后来缩写为“kworks”。之后不久,他在詹姆斯·乔伊斯(James Joyce)的作品中读到一句“三声夸克(three quarks)”,于是将这种新粒子更名为夸克(quark)。

物理结构编辑本段回目录

(图)物理结构物理结构

所有的物质都是由原子构成的。世界上存在数千种原子。但原子并非构成物质的最小单元,它的内部还有自己的结构。10-10米大小的原子内部绝大部分是真空的,中心有极为致密的核,大小约10-15米。电子绕着原子核运动,其量子式的运动曾困惑了很多人。

物质的内部结构正如同俄罗斯套娃一样,打开一层,又出现下一个层次。同理地,原子核也有内部结构:它由质子(proton)和中子(neutron)经强力作用力结合在一起构成。

1947年以前,我们只认识质子、中子、电子、μ子等为数不多的几种粒子。人们认为这些粒子就是构成物质的最小单元,称其为“基本粒子”。此后,在宇宙线实验和粒子加速器实验中发现存在了大量其他粒子,如π、Κ、Λ、Ξ、Δ等一百多种。这些粒子中有的寿命很短,产生后很快就蜕变为其他粒子。因此,随着时间的推移,只观测到越来越多的基本粒子。人们不禁要问,后发现的这些粒子还是基本的吗?

1961年美国的候世达(Douglas R. Hofstadter)用波长为德布罗意波长的电子轰击质子,结果发现质子并不是一个几何点,它有大小,半径为10-15米,电荷就分布在这样一个小空间范围。中子也有大小,半径10-15米。中子虽然电荷为零,但在10-15米为了解释质子和中子的内部结构,1964年盖尔曼(Murray Gell-mann)假定:前面所说的一百多种“基本粒子”是由满足粒子物理标准模型中SU(3)对称的三种夸克:上夸克(up quark)、下夸克(down quark)、奇异夸克(strange quark )及其反粒子构成,其电荷分别为质子电荷的(2/3,-1/3,-1/3)。

后来人们发现共有6种夸克:上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克(charm quark)、顶夸克(top quark)和底夸克(bottom quark)。后四种夸克高度不稳定;大多数物质是由前两种夸克组成的。我们通常只取这六种夸克的英文首字母,称作u、d、s、c、t和b。我们还用“味(flavor)”这个词来形象地区分这6种不同的夸克。不同夸克除味不同外,其他物理参量的取值不同也有一些区别,比如质量,电荷,自旋,重子数,轻子数,同位旋量子数等。夸克有一个奇异的物理量:色量子数。每种味的夸克另有3种不同的颜色,由于夸克带电,每种夸克另外存在自己的反夸克,因此,总共存在6×3×2=36种夸克。 范围内电荷密度有正有负。

性质编辑本段回目录

夸克具有分数电荷,是电子电量的2/3或-1/3倍,自旋为1/2或-1/2。 最初解释强相互作用粒子的理论需要三种夸克,叫做夸克的三种味,它们分别是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇夸克(strange,s)。1974年发现了J/ψ粒子,要求引入第四种夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c)。1977年发现了Υ粒子,要求引入第五种夸克底夸克(bottom,b)。1994年发现第六种夸克顶夸克(top,t),人们相信这是最后一种夸克。夸克理论认为,所有的重子都是由三个夸克组成的,比如质子(uud),中子(udd);反重子则是由三个相应的反夸克组成的。夸克理论还预言了存在一种由三个奇异夸克组成的粒子(sss),这种粒子于1964年在氢气泡室中观测到,叫做负ω粒子。顶、底、奇、魅夸克由于质量太大(参见下表),很短的时间内就会衰变成上夸克或下夸克。 夸克按其特性分为三代,如下表所示:

世代 自旋    特色        中英文名称                 符号       带电量 / e       质量 / MeV.c-2
1   + 1/2   Iz=+1/2  上夸克(Up quark)              u         + 2/3            1.5 to 4.0
1   - 1/2   Iz=−1/2 下夸克(Down quark)            d         - 1/3            4 to 8
2   - 1/2   S=−1    奇异夸克(Strange quark)       s         - 1/3            80 to 130
2   + 1/2   C=1      魅夸克(Charm quark)           c         + 2/3            1150 to 1350
3   - 1/2   B′=−1  底(美)夸克(Bottom quark)    b         - 1/3            4100 to 4400
3   + 1/2   T=1      顶(真)夸克(Top quark)       t         + 2/3            171400 ± 2100

反重子则是由三个相应的反夸克组成的。比如质子(uud),中子(udd)。夸克理论还预言了存在一种由三个奇异夸克组成的粒子(sss),这种粒子于1964年在氢气泡室中观测到,叫做负ω粒子。

中国的部分物理学家称夸克为层子,因为他们认为:即使层子也不是物质的始元,也只不过是物质结构无穷层次中的一个层次而已。

在量子色动力学中,夸克除了具有“味”的特性外,还具有三种“色”的特性,分别是红、绿和蓝。这里“色”并非指夸克真的具有颜色,而是借“色”这一词形象地比喻夸克本身的一种物理属性。量子色动力学认为,一般物质是没有“色”的,组成重子的三种夸克的“颜色”分别为红、绿和蓝,因此叠加在一起就成了无色的。因此计入6种味和3种色的属性,共有18种夸克,另有它们对应的18种反夸克。

夸克理论还认为,介子是由同色的一个夸克和一个反夸克组成的束缚态。例如,日本物理学家汤川秀树预言的[[π+介子]]是由一个上夸克和一个反下夸克组成的,π-介子则是由一个反上夸克和一个下夸克组成的,它们都是无色的。

除顶夸克外的五种夸克已经通过实验发现它们的存在,华裔科学家丁肇中便因发现魅夸克(又叫J粒子)而获诺贝尔物理学奖。近十年来高能粒子物理学家的主攻方向之一是顶夸克 (t)。

至于1994年最新发现的第六种“顶夸克”,相信是最后一种,它的发现令科学家得出有关夸克子的完整图像,有助研究在宇宙大爆炸之初少于一秒之内宇宙如何演化,因为大爆炸最初产生的高热,会产生顶夸粒子。

研究显示,有些恒星在演化末期可能会变成“夸克星”。当星体抵受不住自身的万有引力不断收缩时,密度大增会把夸克挤出来,最终一个太阳大小的星体可能会萎缩到只有七、八公里那么大,但仍会发光。

夸克理论认为,夸克都是被囚禁在粒子内部的,不存在单独的夸克。一些人据此提出反对意见,认为夸克不是真实存在的。然而夸克理论做出的几乎所有预言都与实验测量符合的很好,因此大部分研究者相信夸克理论是正确的。1997年,俄国物理学家戴阿科诺夫等人预测,存在一种由五个夸克组成的粒子,质量比氢原子大50%。2001年,日本物理学家在SP环-8加速器上用伽马射线轰击一片塑料时,发现了五夸克粒子存在的证据。随后得到了美国托马斯·杰裴逊国家加速器实验室和莫斯科理论和实验物理研究所的物理学家们的证实。这种五夸克粒子是由2个上夸克、2个下夸克和一个反奇异夸克组成的,它并不违背粒子物理的标准模型。这是第一次发现多于3个夸克组成的粒子。研究人员认为,这种粒子可能仅是“五夸克”粒子家族中第一个被发现的成员,还有可能存在由4个或6个夸克组成的粒子。

陆陆续续地,共有九个实验群组宣称发现了penta-quark的证据。但是在其它较高能的实验组及其数据中,包括使用轻子对撞器如德国 DESY 的 ZEUS 实验,以及日本 KEK 的 Belle 与美国 SLAC 的 BaBar 两大 B介子工厂实验、以及使用强子对撞器的美国 费米实验室中的 CDF 与 D∅ 实验,都没有观测到应该存在的证据。因此,所谓的五夸克粒子(penta-quark)存在与否,还是一个极具争论性的话题。同时,春天八号也计划将会再提升其效能,以比目前强10倍的辐射光,获取更大量的实验数据,来进行统计上的确认。

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张嘉年
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