重子 平均寿命为 0.822 乘一百亿分 之一秒. 夸克和反夸克结合成强子是通过比电磁相互作用强得多的相互作用而实 现的,这种相

来源: marketreflections 于 2010-06-13 11:24:54 [] [博客] [旧帖] [给我悄悄话] 阅读数 : (10502 bytes)

在实验上检验具有这些性质的Ω重子是否确 实存在就成为对强子结构的夸克模型理论的一个判定性检验. 1964 年,美国 Brookhaven 国家实验室的粒子物理实验中发现了一个带 单位负电荷的重子,其质量为 m=1672.45MeV,平均寿命为 0.822 乘一百亿分 之一秒.这种重子衰变时的主要衰变方式果然是理论所预言的那 3 种.粒子 的质量,寿命,主要衰变方式都完全符合夸克模型的预言,这样强子结构的 夸克模型理论得到了判定性检验. 夸克和反夸克结合成强子是通过比电磁相互作用强得多的相互作用而实 现的,这种相互作用称为色相互作用.色相互作用的媒介粒子是胶子,夸克 和反夸克通过交换胶子而结合成强子,夸克和反夸克的可以放出或吸收胶子 的能力来自于它们具有色荷.夸克可以具有的色荷有 3 种,即每味夸克和反 夸克又都分别各有 3"色".夸克放出和吸收胶子时其所带色荷可以改变, 也可以不改变,这反映为胶子有 3×3-1=8 种,带有 8 种复合色.强子结构的 夸克模型还进一步给出,除了重子和介子外,还可能有两个或三个胶子组成 的强子,称为"胶球";还可能有由两个夸克和两个反夸克组成的强子,称 为"四夸克态";还可能有由一对正反夸克和一个胶子组成的强子,称为 "混 杂子".如果确有胶球,四夸克态或混杂子存在,它们显现出来的实验行为 和一对夸克和反夸克组成的介子有极大的类似性,要把它们区分开来,需要 做大量的实验研究和理论分析工作.实验和理论的分析给出,现在实验已发 现的 160 种介子中,有两种粒子是胶球的有希望的候选者,有一种粒子有可 能是四夸克态. §15 强子结构的基本图象 在 70 年代中期,由于实验和理论的研究工作都取得了一系列重要的进 展,使人们对强子内部结构规律的认识逐渐地明朗和深入.概括起来,可以 归结为以下几点: (1)强子是由更深层次的粒子夸克和胶子组成的复合粒子.夸克按电 荷,弱相互作用性质以及在相互作用中显现的质量加以区分,可以分成为若 干"味".现在实验上已表明,组成强子的夸克不止三味,而是有六味.它 们分别用 u,d,s,c,b,t 表示. (2)每种味的夸克按其在强相互作用中的地位又区分为 3 种,称之为三 "色",即每种味的夸克又都分为"红","蓝","绿"三色. (3)带电粒子之间的电磁相互作用是通过交换光子来实现的,与之类 似,夸克(或反夸克)之间的相互作用是通过交换胶子来实现的.带电粒子 所带电荷的多少决定它参与电磁相互作用的强弱,相应地,夸克所参与的强 相互作用的行为和强弱是由夸克所带色荷的大小来决定的.电荷只有一种, 决定了光子只有一种.夸克的色荷却有 3 种,这决定了胶子可以有 8 种. (4)从最低级近似来看,介子由一个夸克和一个反夸克所组成,重子由 3 个夸克组成.这些夸克和反夸克通过交换胶子而相互作用.在强子内部, 总是不断地有胶子被放出和被吸收,并处于统计平衡的状态.因此,在强子 内部除了有上面所说的夸克和反夸克外,还存在数目未知然而是确定的胶 子.在强子内部既然存在胶子,胶子就可以转化为夸克,反夸克对,而夸克, 反夸克对又可以湮没为胶子,因此,在强子内部也还存在数目未知然而是确 定的夸克,反夸克对.这样存在的每一个夸克,反夸克对在强子内部并不要 求结合成一个小集团,但总起来说,夸克的数目总和反夸克的数目相等.为 了将上述两处所谈的夸克加以区分,把前者称为价夸克,而把后者称为海夸 克或微夸克."价夸克"的名称是从化学中借来的,化学中称原子结构最外 层没有填满壳层的电子为价电子,它决定原子的化学性质.价夸克则是强子 中少数味和数目都完全确定的夸克(或反夸克),它们决定该粒子的性质. 换言之,各种强子的不同反映在它们的价夸克(或价反夸克)的不同上.每 个强子内部所有价夸克(或价反夸克)的色性质是保证其总合为"白色", 即整体对外来说相当于无色的(所有色都消光).每个强子内部所有价夸克 (或价反夸克)的味性质则不一定是无味的.海夸克是强子中数目不定的夸 克和反夸克,任何时刻其总合为"无色无味"的.海夸克的数目稳定是统计 平衡的结果. (5)介子是由一对价夸克和价反夸克组成的强子 (如图 5-5 (a)所示), 重子是由三个价夸克所组成的强子(如图 5-4 所示).事实上,胶子也能起 到价粒子的作用,称为"价胶子",胶球就是由两个,三个或多个价胶子所 组成的(如图 5-6 所示).四夸克态是由两个价夸克和两个价反夸克组成的 强子(如图 5-5(b)所示).混杂子是由一对价夸克和价反夸克以及一个价 胶子所组成的强子(如图 5-7 所示). (6)尽管强子是由夸克和胶子组成,但是迄今为止,实验并没有直接观 察到自由的(即单独存在的)夸克或胶子.这是因为色相互作用具有"禁闭" 的性质,即带色的粒子之间的色相互作用并不随距离增加而迅速减弱并从而 使粒子最终互相独立而处于自由状态.换言之,只有由夸克和 胶子组成的无色系统才可以自由地单独存在,带色的夸克和胶子只能存 在于这个系统的内部.色相互作用的这种禁 闭性质最先是根据实验结果的启发而提出的理论假设,随后理论上作了 很多试探去证明,但是至今在理论上并没有最后严格地证明.尽管如此,在 现今对强子结构的研究中,色禁闭仍然是被普遍接受的基本假定. 虽然夸克和胶子被禁闭在强子的内部,但是在高能的物理过程中,被禁 闭的这些夸克和胶子在强子内部又近似 地可以看作无相互作用.色相互作用的这个性质称为"渐进自由",它 可以从理论上导出,它的许多推论已经得到实验的验证. 对高能实验结果的分析得出,高能质子内部胶子和价夸克所带的动量分 别约占质子动量的一半,海夸克所带的动量只约占质子动量的百分之五左 右.这个结果也表明,如果认为质子只是由价夸克所组成,这种看法是过于 简单了. 如上面的质子结构的示意图所示,质子有 3 个价夸克 U,U,D,我们用 大写的符号代表;用小写的符号 u,d,s,c,b,…,代表海夸克;用夸克 符号上面加一小横代表相应的反夸克;用 g 代表胶子.这些粒子在质子内部 的分布是分散的,色禁闭的性质使它们局限在一定的边界之内.价夸克的种 类和个数确定,即只是图中的 U,U,D.海夸克的个数不确定,但由于总起 来要满足"无色无味"的要求,平均来说,三种色的海夸克(和海反夸克) 数目相等,各种味的海夸克(和海反夸克)数目相等. §16 粲夸克,底夸克和顶夸克 1974 年 美 籍 华 裔 物 理 学 家 丁 肇 中 和 美 国 物 理 学 家 里 希 特 ( Burton Richter)互相独立地发现了第四味夸克,称为"粲夸克",用符号 c 代表, 它是通过发现 J/ψ粒子实现的.J/ψ粒子是粲夸克和反粲夸克所组成的,质 量是质子的 3 倍多, 平均寿命比其他质量相近的重介子要长 1000 倍左右. 1977 年美国物理学家莱德曼(Leon Max Ledermann)发现了第五味夸克,称为"底 夸克",用符号 b 代表,它是通过发现Υ粒子实现的.Υ粒子是底夸克和反 底夸克所组成的,质量是质子的 10 倍多,平均寿命比 J/ψ粒子还长.理论 上预言还应存在第六味夸克,称为 "顶夸克",用符号 t 代表,实验上从 1977 年以来一直在寻找顶夸克,直到 1995 年终于在实验中发现了顶夸克. 狭义相对论给出粒子具有的能量等于粒子的质量乘真空光速的平方,因 此粒子静止质量的大小可以用相应的静止能量来表示.上夸克的值为 5.6MeV,下夸克的值为 10MeV,奇异夸克的值为 200MeV,它们统称为轻夸克. 粲夸克的值为 1350MeV,即 1.35GeV,底夸克的值为 5000MeV,即 5.0GeV,统 称为重夸克.过去理论上对还未发现的顶夸克的相互作用性质和运动行为给 出了详细的预言,但对于它的质量则完全没有预言.1977 年发现底夸克后, 人们从已发现的各夸克质量变化的趋势,曾猜测顶夸克的质量可能是底夸克 质量的 3 倍左右,即 15000MeV 附近,但在这质量附近并没有找到顶夸克.从 1977 年以后的十几年间,先后在德国汉堡的正负电子对撞机 PETRA,美国斯 坦福的正负电子对撞机 PEP,日本的正负电子对撞机 TRISTAN,瑞士日内瓦的 质子对撞机 SPS,美国斯坦福的正负电子对撞机 SLC,瑞士日内瓦的正负电子 对撞机 LEP 上都进行了大量的工作来探寻顶夸克,但都一直没有找到.每一 次否定的实验结果都给出顶夸克质量的一个下限.随着实验的不断进展,顶 夸克质量的下限不断提高.后来综合各方面的实验结果,结合理论分析,已 经能够推测出如果顶夸克确实存在,其质量应该为 m=(169±27)GeV.直到 1995 年 3 月,美国的费米实验室才正式宣布发 现了顶夸克.顶夸克的质量为 m=(180±12)GeV.至此全部六种夸克都已经被发现了. 顶夸克是粒子世界中现在已经发现的最重的一个组元,它的质量远比现 在已经发现的其他粒子重得多,就是和原子世界中的原子来比,也是相当重 的.如果用原子量来表示顶夸克的质量,顶夸克的"原子量"为 193.24.作 为对比,铱的原子量是 192.22 ,铂的原子量是 195.08,金的原子量是 196.96654,顶夸克的原子量和它们接近.然而顶夸克具有的重子数只是 1/3,铱的重子数是 192,铂的重子数是 195,金的重子数是 197,在重子数 的值上的差别就显现出来它们分属于物质结构的不同层次. §17 标准模型及粒子的分类 60 年代以来,人们关于粒子世界物质结构和运动的基本规律的认识有了 重大的突破,形成了粒子物理的标准模型. 标准模型认为,微观物质的基本相互作用有 3 种,即色相互作用,电弱 相互作用和引力相互作用. 色相互作用是一种规范相互作用,具有很高的对称性它的实验表现为粒 子间的强相互作用.色相互作用的媒介粒子是胶子,有 8 种,都没有静止质 量. 电弱相互作用也是规范相互作用,具有比较高的对称性质,电弱相互作 用的媒介粒子有 4 种,都没有质量.但是在能量低于 250GeV 的范围,这种对 称性自发地破缺了,统一的电弱相互作用分解成为性质极不相同的电磁相互 作用和弱相互作用.电磁相互作用的媒介粒子,光子仍然没有静止质量,然 而弱相互作用的 3 种媒介粒子都获得了很大的质量. 引力相互作用,普遍存在于所有物质粒子之间,它的媒介粒子没有静止 质量. 在已发现的 452 种粒子中,规范玻色子和轻子还没有被观察到有内部结 构,还可以被看作是"点"粒子.强子是由夸克,反夸克和胶子所组成的复 合粒子,强子和规范玻色子以及轻子不属于同一层次.现在还没有观察到夸 克和胶子有内部结构,它们也还可以被看作是"点"粒子,是属于和规范玻 色子以及轻子同一层次的粒子.如果把质子放大到一个足球场那样大,组成 质子的夸克和胶子就都比足球还要小.由此可见,强子内部的结构也是很稀 松的,物质粒子所占的空间也只是强子所占空间的很小的一部分. 在现有对粒子物理世界的认识的基础上,可以对现在认识的"点"粒子 进行分类,即按标准模型对粒子进行分类.在标准模型中,粒子可以分成 3 大类: (1)规范玻色子:3 种基本相互作用的媒介粒子,共 13 种,性质如下 表. 相互作用 粒子 自旋 个数 强相互作用 胶子 1 8 电磁相互作用 光子 1 1 弱相互作用 W , Z 粒子 1 3 引力相互作用 引力子 2 1 实验上没有观察到自由状态下的胶子,但胶子在粒子相互作用过程中的 存在已经有充分的实验验证.由于引力相互作用太弱,实验上直接观察放出 或吸收引力子非常困难,现在还没有引力子存在的直接实验证据.许多年来, 天体物理学家做了许多观测来探究是否有远方星体运动所发出的引力波存 在,不过迄今为止还没有得到肯定的结果. (2)费米子:自旋量子数为 J=1/2 的粒子,包括轻子和夸克. 按照电弱统一理论,自然界的费米子必须是成组地存在的,每一组费米 子的电荷之和等于零.一组费米子称为一"代"费米子,其中包括一个中微 子,一个带电轻子,两味夸克.其中一个夸克带 2/3 单位电荷,一个夸克带 -1/3 单位电荷.轻子不带色荷,不直接参与色相互作用,夸克带色荷,可以 直接参与色相互作用,每味夸克有 3 种色荷状态.考虑到夸克有 3 种色荷状 态,一代费米子的电荷之和确实为零.现在已知自然界至少存在 3 代费米子, 它们的性质如下表. 粒子类型 电荷 重子数 色状态数 第一代 第二代 第三代 轻子 0 0 1 中微子 ve 中微子 v μ 中微子 v τ -1 0 1 电子 e μ子 τ子 2/3 1/3 3 上夸克 u 粲夸克 c 顶夸克 t 夸克 -1/3 1/3 3 下夸克 d 奇异夸克 s 底夸克 b 这样,由于每种夸克有 3 种色状态,每一代费米子包含有 8 种粒子,3 代共有 24 种费米子,再加上它们的反粒子,共有 48 种费米子. (3)希格斯(Higgs)粒子:自旋量子数为零的粒子. 按照电弱统一理论,电磁相互作用和弱相互作用本来是某种统一的电弱 相互作用,具有比较高的对称性质,电弱相互作用的 4 种媒介粒子都没有质 量,所有的费米子也都没有质量.但是在能量较低的范围,这种对称性自发 地破缺了,统一的电弱相互作用分解成为性质极不相同的电磁相互作用和弱 相互作用.同时除了中微子外,所有的费米子都获得了质量.电弱相互作用 的对称性自发破缺的实现要求自然界存在一种自旋量子数为零的特殊的粒 子,称为希格斯粒子.在实现电弱相互作用的对称性自发破缺后,自然界至 少应有一种中性的希格斯粒子存在.理论对于这个中性希格斯粒子的所有的 相互作用性质和运动行为都有精确的描绘和预言,但对它的质量却完全没有 给出任何预言.现在实验上还没有发现这种希格斯粒子,从已有的实验结果 来看,希格斯粒子的质量应大于 58.4GeV.从实验上去寻找希格斯粒子是当 前粒子物理实验研究的中心课题之一. 按照现在对粒子世界结构规律的认识,按照标准模型,粒子世界是由 62 种粒子构成,其中有 60 种的存在已被实验所证实了,还有 2 种现在实验上还 没有观察到其存在的证据

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