谁来说说跨克和胶子?

谁来说说跨克和胶子?
谁来说说跨克和胶子?

谁来说说跨克和胶子?
20世纪60年代,美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克(quark)组成的,很多中国物理学家称其为“层子”.它们具有分数电荷,是电子电量的2/3或-1/3倍,自旋为1/2.“夸克”一词是由默里·盖尔曼改编自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根彻夜祭》(Finnegan's Wake)中的诗句.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)和奇异夸克(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,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.

夸克按其特性分为三代,如下表所示：

符号 中文名称 英文名称 电荷(e) 质量(GeV/c^2)
u 上夸克 up +2/3 0.004
d 下夸克 down -1/3 0.008
c 粲(魅)夸克 charm +2/3 1.5
s 奇夸克 strange -1/3 0.15
t 顶夸克 top +2/3 176
b 底夸克 bottom -1/3 4.7

    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粲夸克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
胶子
在物理学中,胶子是一种负责传递强核力的玻色子.它们把夸克捆绑在一起,使之形成质子、中子及其他强子.胶子的电荷为零,但自旋是 1.它们通常假设为无质量,但亦可能有大至几百万电子伏特（MeV）的质量.胶子是维持原子核穏定的重要一环.
在量子色动力学（QCD,是一广为接受描述强核力的理论）中,当两颗粒子色荷互相作用时便会交换胶子.当两颗夸克交换胶子时,它们自身的色彩亦同会时改变；胶子会携带发出者的反色彩以补偿发出者的色变,它亦会携带接收者的色彩.因胶子本身有色,故它们亦能与其它胶子互相作用,令到对于强核力的数学分析十分复杂和困难.
于1980年代早期,位于汉堡的德国电子加速器（DESY）的大规模电子-正子碰撞器（Large electron-positron collider,PETRA）凭一明显的三重喷流结构显示了胶子的存在；其第三喷流被认定为一个产生了的夸克发出胶子.
八种胶子
从一般人的角度来看,由于有三种色荷,故应有九种不同的胶子：.可是,若由数学角度出发则胶子应有无限多种：以上九种形态的叠加（例如 等）.此外,由于实验证明无色重子并不互相作用,故以下性质必然成立,否则重子便能通过发射胶子来利用强核力互相作用.
因胶子再没有其他线性独立关系,故只有八种线性独立的胶子,其一般简化为“胶子共有八种”.
夸克—胶子等离子体
现有宇宙理论认为,宇宙形成于距今约120亿至150亿年前的一次“大爆炸”.宇宙“大爆炸”后的极短瞬间会形成超高能量密度,这使得一种称为“夸克—胶子等离子体”的物质能够在约10微秒（1微秒为百万分之一秒）的极短时间内充斥宇宙,然后再凝聚结合形成原子核等物质.但迄今科学家们还难以对这一理论假设进行检验.
欧洲核子中心的最新研究成果使得科学家们能够验证“大爆炸”数微秒后的宇宙景象.这项重大突破不仅使物理学的研究疆域拓展至接近宇宙诞生初始,而且对考察宇宙的起源、物质的本性以及对验证现有的粒子物理标准模型等都有重要意义.
近代物理学研究认为,原子的构造单元是质子和中子等亚原子粒子,而亚原子粒子又由夸克等更微观的基本粒子构成.夸克间通过强力作用组合成质子和中子,而这种强作用力主要通过另一种名为胶子的基本粒子来传递.
通常情况下,夸克由于受到强作用力而被子约束于原子核尺度内,自身无法独立存在.但现有一些理论假设认为,足够大的能量和温度应该能拆解质子和中子,并使夸克和胶子重新结合形成所谓“夸克—胶子等离子体”.“夸克—胶子等离子体”是与质子和中子不同的另一种新型物质形态.
为了拆除束缚夸克的强作用力,参加“重离子”计划的科学家利用铅离子互相撞击产生的超高能量进行实验.
通过对多年实验的数据进行综合分析,科学家最近终于发现,在铅离子的碰撞中有新的物质形态产生,其特征与理论预测的“夸克—胶子等离子体”的很多特征相符.
欧洲核子研究中心的公报指出,新成果证明了现有的一些对夸克间基本作用力的预测是正确的,同时也是在了解宇宙早期演化方面向前迈出的重要一步.新成果是国际物理学界通力合作的产物,包括中国在内的20个国家的约500名科学家参与了“重离子”研究计划.