并不成為自由中子飛出來.第六章 粒子世界 。 §6.13 夸克模型理論和強子結構 夸克模型 。玻笆兰o60年代初期,實驗上發(fā)現了大量的新強子.在對大量強子及其運 動性質分析的基礎上,1964年,美國物理學家蓋耳-曼和茲韋格(GeorgeZweig)分別的結構模型,認為所有的強子都是由更深層次的 粒子所組成的. 對于這種更深層次的粒子,蓋耳-曼稱之為夸克,茲韋格稱之為愛司,現 在一般都稱之為夸克.這個強子的結構模型稱為夸克模型.蓋耳-曼和茲韋格 當時提出夸克有3種,稱為3“味”,即 “上夸克”、“下夸克”、“奇異夸克”,
分別用符號u、d、s代表.夸克的自旋量子數為1/2,重子數為1/3.上夸克 帶有2/3單位的電荷,下夸克和奇異夸克都帶有-1/3單位的電荷.上夸克和 下夸克的奇異數為0,奇異夸克的奇異數為-1.重子由3個夸克組成,反重 子由3個反夸克組成.介子由一對夸克和反夸克所組成.夸克模型可以很好解 釋當時已發(fā)現的所有的強子及其運動性質,并給出許多預言. 1963年,粒子物理實驗中已經發(fā)現了9個極不穩(wěn)定的自旋量子數等于3/2 -23 的重子,粗纖維測定儀質量都在1230MeV到1535MeV范圍內,平均壽命都只有10s的 數量級.按夸克模型,組成這9個重子的夸克分別為: Δ(uu uu)、Δ(uud)、Δ(ud dd)、Δ(dd dd)、 Σ(uus)、Σ(uds)、Σ(d dds)、 (us ss)、(ds ss). 夸克模型認為,這9個粒子應該屬于由10個粒子組成的一族.從這9個重子 出發(fā),預言還應該存在一個由3個奇異夸克(s sss)組成的自旋量子數也等于3/2 的 Ω重子. 理論預言 Ω重子帶一個單位的負電荷,其質量約為m=1678MeV,平均 -10 壽命約為10s,這個壽命值比已經發(fā)現了的9個粒子的壽命值要長了約12 個數量級,從粒子物理世界的標準來說是相當穩(wěn)定的粒子.
理論預言 Ω重子的主要衰變方式有3種:一種是衰變?yōu)椋眰 Λ重子和1 個帶負電的K介子;另一種是衰變?yōu)椋眰中性重子和1個帶負電的 π介子; 再一種是衰變?yōu)椋眰帶負電的重子和1個中性 π介子. 夸克模型認為介子和重子都是分族地存在的,每一族粒子具有相同的自旋 量子數,它們的相互作用性質相近.當時已經知道自旋量子數為0和1的介子 都已有8個粒子組成一族的,自旋量子數為1/2的重子也已有8個粒子組成一 §6.13 夸克模型理論和強子結構。薄。常 族.這幾族粒子都是族內粒子性質相近,表現在平均壽命上,或者都是長壽命 粒子,或者都是極不穩(wěn)定的短壽命粒子. 夸克模型對 Ω重子的這個預言使物理學家們非常興奮,因為這個預言所 依據的已經發(fā)現的9種粒子都是極不穩(wěn)定的,壽命極短的粒子,然而預言應該 存在的卻是一個衰變行為和它們極不相同,而且和它們比起來壽命長得出 奇— ———要長12個數量級的粒子.這在粒子物理學的發(fā)展中還是初次遇到. 在實驗上檢驗具有這些性質的 Ω重子是否確實存在就成為對強子結構的 夸克模型理論的一個判定性檢驗.
1964年,美國Bro ookhaven國家實驗室的粒子物理實驗中發(fā)現了一個帶單 -10 位負電荷的量子,其質量為m=1672.45MeV,平均壽命為0.82 22×10s, 這種重子衰變時的主要衰變方式果然是夸克模型理論所預言的那3種.粒子的 質量、壽命、主要衰變方式都完全符合夸克模型理論的預言,這樣強子結構的 夸克模型理論得到了判定性檢驗. 色相互作用和膠子 夸克和反夸克結合成強子是通過比電磁相互作用強得多的相互作用而實現 的,這種相互作用稱為色相互作用.色相互作用的媒介粒子是膠子,夸克和反 夸克通過交換膠子而結合成強子,夸克和反夸克可以放出或吸收膠子的能力來 自于它們具有色荷.夸克可以具有的色荷有3種,即每味夸克和反夸克又都分 別各有3 “色”.夸克放出和吸收膠子時其所帶色荷可以改變,也可以不改變, 這反映為膠子有3×3-1=8種,帶有8種復合色. 強子結構的夸克模型還進一步給出,除了重子和介子外,還可能有2個或 3個膠子組成的強子,稱為 “膠球 ”;還德曼(LeonMaxLederman nn)發(fā)現了第五味夸克,稱為 “底夸克”,用符號b代表,它是通過發(fā)現 γ粒子實現的.γ粒子是底夸克和反 底夸克所組成的,質量是質子的10倍多,平均壽命比J/ψ粒子還長.理論上 預言還應存在第六味夸克,稱為 “頂夸克”,用符號t代表,實驗上從1977年 以來一直在尋找頂夸克,直到19 995年,終于在實驗中發(fā)現了頂夸克. 狹義相對論給出粒子具有的能量等于粒子的質量乘真空光速的平方,因此 粒子靜止質量的大小可以用相應的靜止能量來表示.上夸克的靜止質量為1~5MeV,下夸克的靜止質量為3~9MeV,奇異夸克的靜止質量為75~170MeV, 它們統(tǒng)稱為輕夸克.粲夸克的靜止質量為1150~1350MeV,即1.15~1.35GeV,底夸克的靜止質量為4000~4400MeV,即4.0~4.4GeV,統(tǒng) 稱為重夸 克.
過去理論上對還未發(fā)現的頂夸克的相互作用性質和運動行為給出了詳細的 預言,但對于它的質量則完全沒有預言.1977年發(fā)現底夸克后,人們從已發(fā) 現的各夸克質量變化的趨勢,曾猜測頂夸克的質量可能是底夸克質量的3倍左 右,即150 000MeV附近,但在這質量附近并沒有找到頂夸克.從1977年以后 的十幾年間,先后進行了大量的工作來探尋頂夸克,但都一直沒有找到.每一 次否定的實驗結果都給出頂夸克質量的一個下限. 綜合各方面的實驗結果結合進行理論分析,能夠推測出如果頂夸克確實存 在,其質量應該為 m=168.2+9.6-7.4GeV. 19 995年3月,美國的費米實驗室正式宣布發(fā)現了頂夸克。直接測量得到頂夸 克的質量為 m=(174.3±5.1)GeV. 至此,全部6種夸克都已經被發(fā)現了. 頂夸克是粒子世界中現在已經發(fā)現的最重的一個組元,它的質量遠比現在 已經發(fā)現的其它粒子重得多,就是和原子相比,也是相當重的.質子是由3個 §6.14 標準模型及相互作用的統(tǒng)一。薄。常 輕夸克組成的重子.考慮一個由3個頂夸克組成的重子,它的質量至少相當于 55 55.7個質子的質量.比現在已知的最重的人工制造的原子核的2倍還要重. 如果用相對原子質量來表示頂夸克的質量,頂夸克的 “相對原子質量 ” 為186.58.作為對比,錸的相對原子質量是186.207,鋨的相對原子質量是 190.23,頂夸克的相對原子質量和它們接近.但是頂夸克具有的重子數只是 1/3;錸的重子數是186;鋨的重子數是190.在重子數的值上的差別就顯現出 來它還 沒有觀察到其存在的證據. 相互作用統(tǒng)一理論的探尋 微觀粒子之間存在著4種相互作用,這4種相互作用之間存在什么聯(lián)系, 它們是否可以從更深刻的角度統(tǒng)一起來,一直是粒子物理學家關心的問題. 愛因斯坦在建立廣義相對論之后,花了很長的時間致力于統(tǒng)一場論的研 究,他希望能建立一個把電磁相互作用和引力相互作用統(tǒng)一起來的理論.然 而,他的這項研究并沒有能取得成功,歸根結底,是因為物理學的發(fā)展在當時 的條件下還不夠成熟.當時人們對電磁相互作用和引力相互作用的宏觀規(guī)律已 經認識得相