夸克禁閉

我們現(xiàn)在知道，質(zhì)子和中子都是由夸克組成的?？墒强淇碎L(zhǎng)什么樣呢？

發(fā)明夸克模型的蓋爾曼說，夸克分為三種，分別是上夸克、下夸克和奇異夸克，再加上他們的反夸克，所以夸克一共有6個(gè)。所有的強(qiáng)子都是由夸克或者反夸克組成的，因此強(qiáng)子不是基本粒子。強(qiáng)子又可以分為介子和重子。此時(shí)介子和重子的定義也不是用質(zhì)量來劃分了，介子是由一個(gè)正夸克和一個(gè)反夸克組成的，只要滿足這點(diǎn)就是介子，所以個(gè)別的介子質(zhì)量也可以大于重子。而重子是由三個(gè)夸克組成的，比如說質(zhì)子是由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成的，中子是由一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克組成的。所有夸克的自旋都是1/2，那介子是正反夸克組成的，自旋就得是整數(shù)，因此介子是玻色子。重子是三個(gè)夸克組成的，自旋肯定就是分?jǐn)?shù)，所以重子都是費(fèi)米子。實(shí)際上到現(xiàn)在夸克已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了6種了，還有一些奇異強(qiáng)子由四個(gè)夸克、五個(gè)夸克組成?？傊@些都比較抽象，能不能具體點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)種發(fā)現(xiàn)夸克，從而驗(yàn)證蓋爾曼夸克模型的正確性呢？

1967年SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室做了一些列實(shí)驗(yàn)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室很有名，原名叫斯坦福直線加速器中心，1962年建造，占地426公頃，遠(yuǎn)處看就像是一個(gè)3千米多長(zhǎng)的大炮一樣，用這么長(zhǎng)的軌道來加速粒子，當(dāng)時(shí)最高能夠達(dá)到22GeV能量。做的實(shí)驗(yàn)是什么呢？就是把電子加速，然后讓它去撞擊質(zhì)子，看看他們的非彈性碰撞。實(shí)驗(yàn)中的質(zhì)子其實(shí)用的就是液態(tài)氫。結(jié)果是啥呢？通常印象當(dāng)中電子應(yīng)該是軟的，質(zhì)子應(yīng)該是硬的，對(duì)吧？結(jié)果通過散射數(shù)據(jù)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在如此高的能量之下電子更像是一個(gè)硬核，質(zhì)子反而感覺軟綿綿的。質(zhì)子里面就像存在一些微小的帶電體一樣，無論物理學(xué)家怎么提高電子的能量質(zhì)子就是不碎，但是質(zhì)子絕對(duì)不是一個(gè)實(shí)心球體，里面有別的東西。

你可能要說，這不就是夸克嘛，這不就證明了蓋爾曼的理論是正確的嗎？還沒有，至此，人們對(duì)夸克模型還是半信半疑，你別看蓋爾曼在1969年就獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但那主要是因?yàn)樗腟U（3）對(duì)稱理論也就是八重道，對(duì)于粒子的分類和預(yù)言了Ω-粒子的貢獻(xiàn)。比如說知名物理學(xué)家費(fèi)曼就表示不相信，他在1968年為了解釋剛才說的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，也提出了一種新模型叫做parton模型，他說質(zhì)子里面是由一種叫做部分子云的東西組成的，這東西就像電子云一樣沒有固定形狀。這是一種場(chǎng)的思想，費(fèi)曼把量子電動(dòng)力學(xué)結(jié)合進(jìn)來了，其實(shí)正是在費(fèi)曼的帶領(lǐng)之下，理論物理學(xué)家才把場(chǎng)論的方法運(yùn)用到強(qiáng)相互作用當(dāng)中，也導(dǎo)致了后面出現(xiàn)的量子色動(dòng)力學(xué)QCD。后來干脆物理學(xué)家各取所需，把部分子模型和夸克模型結(jié)合到了一起，形成了一種叫做夸克-部分子模型的方法。再后來到了1971年CERN就是歐洲核子研究中心建造了一臺(tái)質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，全名叫交叉碰撞儲(chǔ)存環(huán)簡(jiǎn)稱ISR。CERN很有名了，現(xiàn)在世界上最大的粒子物理實(shí)驗(yàn)室，坐落在日內(nèi)瓦，CERN同時(shí)也是萬(wàn)維網(wǎng)就是www網(wǎng)的發(fā)源地，第一個(gè)網(wǎng)頁(yè)瀏覽器就是在1991年誕生在CERN的。同時(shí)CERN還擁有世界上最大的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC。

1971年物理學(xué)家通過ISR進(jìn)行質(zhì)子對(duì)撞還是不能夠把質(zhì)子撞開，夸克就躲在里面不出來，這是咋回事呢？所以當(dāng)時(shí)人們就給這種現(xiàn)象從理論角度起了個(gè)名叫做夸克禁閉。就是說夸克在理論上就是不能夠從質(zhì)子中被撞出來的，你要分離夸克，它們距離越遠(yuǎn)，所需要的能量就越高，直到無窮大。這無疑是雪上加霜，本來夸克理論人們就不怎么相信，想要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，卻又偏偏遇到一個(gè)夸克禁閉。這就不禁讓人們懷疑夸克的真實(shí)性。

夸克真的存在么？它在理論上確實(shí)可以解決一些問題，但是不是僅僅存在于理論上呢？這就像是實(shí)在論，如果一個(gè)東西我看不見，那它存于不存在還有意義嗎？但如果夸克真實(shí)存在的話，夸克禁閉背后的原因又是啥呢？974年華裔美國(guó)物理學(xué)家丁肇中站了出來，正是他的貢獻(xiàn)讓夸克理論獲得了一線生機(jī)。

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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