夸克蓋爾曼

從上世紀(jì)60年代開始，人們對(duì)于粒子研究的重心發(fā)生了一點(diǎn)點(diǎn)變化，之前就是找新粒子，然后預(yù)言新粒子再找新粒子。所以早期的時(shí)候發(fā)現(xiàn)新粒子就代表和諾獎(jiǎng)不遠(yuǎn)了，這說明當(dāng)時(shí)理論是帶領(lǐng)著實(shí)驗(yàn)走的。但是到了60年代末期，各種加速器、對(duì)撞機(jī)紛紛建立起來，從最開始的只有幾MeV到幾百GeV，人們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的粒子突然多了起來。當(dāng)時(shí)發(fā)現(xiàn)了200多種新粒子，可是這200多種粒子都是什么性質(zhì)？怎么分類？哪些是基本粒子呢？這就需要在理論上進(jìn)行突破了。

這200多種粒子，如果按照自旋可以分為費(fèi)米子和玻色子，自旋可以分為朝上或朝下兩個(gè)分量，所以自旋為半整數(shù)的，比如1/2，3/2, 5/2等等就是費(fèi)米子，自旋為整數(shù)的就是玻色子。如果按照質(zhì)量分類可以分為輕子，輕子最開始就表示比較輕的粒子，質(zhì)子、中子叫做核子，介于中間的叫做介子。質(zhì)量大于核子的叫做超子。核子和超子又叫做重子。但是逐漸人們發(fā)現(xiàn)用質(zhì)量來劃分這些粒子意義不大，因?yàn)橘|(zhì)量只是這些粒子的屬性當(dāng)中最普通的一個(gè)，微觀粒子奇怪的屬性太多了。所以人們就想必須得用一個(gè)最本質(zhì)的性質(zhì)來分類，那就是相互作用力。咱們之前介紹過，當(dāng)時(shí)除了人們熟悉的引力和電磁力之外，物理學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了兩種力，分別是強(qiáng)力和弱力。強(qiáng)力就是能夠把質(zhì)子和中子約束在原子核里的力，弱力是能夠使粒子發(fā)生衰變的力。所以物理學(xué)家就根據(jù)參不參與強(qiáng)相互作用來劃分這些粒子，不參與強(qiáng)相互作用的叫做輕子，參與的叫做強(qiáng)子。輕子到現(xiàn)在為止也就只發(fā)現(xiàn)了6種，分別是電子、還有咱們之前提過的μ子，后來人們又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)更大的電子叫做τ子，質(zhì)量比μ子還大，類電子家族成員有三個(gè)。另外三個(gè)輕子分別是對(duì)應(yīng)的三種中微子：電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。一共6個(gè)。再來看強(qiáng)子，介子、核子、超子這些都參與強(qiáng)相互作用，所以都是強(qiáng)子。除了輕子和強(qiáng)子以外，還有一類特殊的粒子叫做規(guī)范玻色子，比如光子，它們負(fù)責(zé)傳遞相互作用，但是靜止質(zhì)量為零。也就是說按照此時(shí)的分類，輕子加上規(guī)范玻色子一共只有不到10個(gè)，剩下的200多都是強(qiáng)子。

為什么輕子這么少，強(qiáng)子這么多呢？直覺告訴我們這200多的強(qiáng)子肯定不都是基本粒子，一定可以化繁為簡(jiǎn)有最基本的東西存在。所以其實(shí)在1949年的時(shí)候費(fèi)米和楊振寧就提出過一種模型叫做“費(fèi)米-楊模型”，他們認(rèn)為只有質(zhì)子和中子以及它們的反粒子才是基本粒子，剩下的都可以通過這四個(gè)粒子構(gòu)造出來。后來是坂田昌一，他在1956年把費(fèi)米-楊模型進(jìn)行了推廣，他認(rèn)為質(zhì)子、中子再加了一個(gè)∧超子，它們?nèi)齻€(gè)以及反粒子才是基本粒子。再后來又是一位天才完善了這套理論，這個(gè)人叫做蓋爾曼。

蓋爾曼是1929年出生在美國(guó)紐約，從小以神通著稱，8歲的時(shí)候就上高中了，但是他和之前咱們了解的一些物理學(xué)大師不一樣，之前的這些大師都是從小對(duì)數(shù)學(xué)啊、物理啊有很深的造詣，蓋爾曼是從小喜歡研究文學(xué)，什么語(yǔ)言、歷史這些。后來1944年15歲的蓋爾曼考入美國(guó)耶魯大學(xué)。選什么專業(yè)呢？他父親希望他學(xué)習(xí)工程學(xué)，但是他又不喜歡，又不想違背父親的意愿，那就選一個(gè)和工程學(xué)差不多的專業(yè)吧，于是就選擇了物理學(xué)。

1962年蓋爾曼在坂田的理論（SU（3））基礎(chǔ)之上，給出了自己的一套方法叫做八重道，其實(shí)這里需要一些群論的知識(shí)，簡(jiǎn)單說蓋爾曼的八重道就類似于門捷列夫的元素周期表，它能把這些粒子根據(jù)性質(zhì)排列起來，然后分成一族一族的。早期如果元素周期表上出現(xiàn)了空缺，那這個(gè)元素就是可以被預(yù)言的。這一點(diǎn)蓋爾曼的八重道也可以，他根據(jù)自己的理論推算，預(yù)言了Ω-超子，并且還預(yù)言這個(gè)Ω-粒子質(zhì)量應(yīng)該是1685MeV，平均壽命是10^-10秒，不要覺得很短，這個(gè)壽命在超子里就算長(zhǎng)壽了，因?yàn)槠渌Ｗ拥膲勖旧隙急?0^-22秒還短。而且他還預(yù)言了Ω-粒子有三種不同的衰變方式。這有點(diǎn)太神了！難倒“粒子周期表”找到了？一年之后也就是1963年，塞米奧斯實(shí)驗(yàn)小組在云室中拍攝了將近10萬(wàn)張照片，果然找到一個(gè)蓋爾曼所預(yù)言的Ω-粒子。這個(gè)粒子的發(fā)現(xiàn)在理論物理上意義重大，也是SU（3）對(duì)稱理論的巨大成功，因此它也被人們稱作是粒子物理中的海王星。到了1964年蓋爾曼一發(fā)不可收拾，他根據(jù)群論分析提出了一種新的基本粒子模型，那就是夸克模型。蓋爾曼說強(qiáng)子太多了，但它們都不是基本粒子，而是由一種更基本的粒子夸克組成的。最開始蓋爾曼只提出三種夸克分別是上夸克upper 下夸克down和奇異夸克strange，縮寫分別是uds，然后這三種夸克有自己的反粒子，就是反上夸克、反下夸克和反奇異夸克。更奇怪的是它們的電荷，出現(xiàn)分?jǐn)?shù)了。從密立根開始確認(rèn)了電量的基本單位是e之后，人們默認(rèn)了電子的電荷e就是電荷的最小單位，這怎么還能出現(xiàn)分?jǐn)?shù)呢？蓋爾曼說上夸克的電荷是2/3e，下夸克的電荷是-1/3e，奇異夸克的電荷也是-1/3e。然后根據(jù)他的夸克模型質(zhì)子就是由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成的，也就是uud，那電荷就是2/3+2/3-1/3=1，質(zhì)子帶一個(gè)單位的正電荷。中子是由一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克組成的，也就是udd，電荷就是2/3-1/3-1/3=0，中子不帶電。

您可能會(huì)覺得這夸克模型有點(diǎn)東拼西湊啊，會(huì)不會(huì)是恰巧了呢？確實(shí)，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家也是這么認(rèn)為的，如果想要驗(yàn)證夸克模型，那就得真正的找到夸克。那人們又是如何發(fā)現(xiàn)夸克的呢？

作者：媽咪說科普創(chuàng)作者

審核：羅會(huì)仟中國(guó)科學(xué)院物理研究所副研究員

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