原子核內部
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夸克和輕子

當實驗物理學家似乎迷失在迷宮中時，理論物理學家摸索著出路。使用極其複雜的數學技巧，他們設法將強子歸類到這樣的家族中，這意味著所有已知（以及尚未發現的）強子都是由僅六種具有分數電荷的粒子組成的。這方面的主要功勞（以諾貝爾獎的形式）歸功於 M. Gell-Mann 和 G. Zweig。

最初，他們考慮強子的一個子集，並開發了一個只有三種這種真正基本粒子的理論。當 Murray Gell-Mann 想到為它們起名字時，他偶然發現了詹姆斯·喬伊斯的《芬尼根的覺醒》。書中第 383 頁出現了“三個夸克為 Muster Mark！”這句話（其中 *夸克* 一詞是 *夸脫* 和 *嘎嘎* 等詞的融合）。他需要一個名字來代表三種粒子，這就是答案。因此 *夸克* 一詞應運而生。

後來，該理論被推廣到包括所有已知的粒子，這需要六種型別的夸克。現代理論還要求不同輕子的數量應與不同夸克型別的數量相同。根據這些理論，夸克和輕子是真正基本的，也就是說，它們沒有內部結構，因此尺寸為零（點狀）。因此，世界是由僅 12 種類型的基本構建塊組成的，如表 15.4 所示。令人驚訝的是，一個多世紀前在所有其他粒子被發現之前就被發現的電子竟然是其中之一！

**表：15.4** *宇宙的基本構建塊。*
家族	基本粒子	符號	電荷	輕子數	重子數	質量 (MeV)
	電子	$e^{-}$	$-1$	1	0	0.511
	μ子	$\mu ^{-}$	$-1$	1	0	105.7
輕子	τ子	$\tau ^{-}$	$-1$	1	0	1777
	電子中微子	$\nu _{e}$	$0$	1	0	$\sim 0$
	μ子中微子	$\nu _{\mu }$	$0$	1	0	$\sim 0$
	τ子中微子	$\nu _{\tau }$	$0$	1	0	$\sim 0$
	上夸克	$u$	$+2/3$	0	1/3	360
	下夸克	$d$	$-1/3$	0	1/3	360
夸克	奇夸克	$s$	$-1/3$	0	1/3	1500
	迷人	$c$	$+2/3$	0	1/3	540
	頂部（真相）	$t$	$+2/3$	0	1/3	174000
	底部（美麗）	$b$	$-1/3$	0	1/3	5000

在蓋爾曼使用一個有趣的名字（夸克）來稱呼基本粒子之後，基本物理學就被這些名字淹沒了。例如，六種夸克型別被稱為“味”（對於乳酪來說，這確實很貼切），每種夸克可能存在的三個不同狀態被稱為“顏色”（紅色，綠色，藍色）等等。現代物理學如此複雜和數學化，以至於在其中工作的人需要這種型別的笑話來“用口味來調味乏味的菜餚”。這些有趣的名字不應該讓任何人感到困惑。基本粒子沒有任何氣味，味道或顏色。這些術語只是簡單地表示某些特性（類似於電荷），而這些特性在人類世界中並不存在。

強子

有些粒子能夠透過所謂的“強相互作用”相互作用。這些力的另一個名稱是“核力”。它們在短距離 ( $\sim 10^{-15}$ m) 非常強，並且當粒子之間的距離增加時會很快消失。所有這些粒子都被稱為“強子”。質子和中子是強子的例子。你記得，當試圖觀察核子內部時，我們瞭解到存在著各種各樣的粒子，更確切地說，是中子。那麼，中子是由什麼組成的？我們現在知道了夸克，能最終得到答案嗎？是的，我們可以。根據現代理論，所有強子都是由夸克組成的。夸克可以組合成兩組或三組。兩夸克的束縛態被稱為“介子”，而三夸克的束縛複合體被稱為“重子”。沒有其他夸克數可以形成可觀測的粒子（最近，實驗物理學家和理論物理學家開始積極討論五夸克存在的可能性，五夸克是五個夸克的束縛複合體）。

核子是重子，因此由三個夸克組成，而π介子是隻包含兩個夸克的介子，如圖 15.7 所示。比較該圖和表 15.4，你可以看到為什麼夸克具有分數電荷。計算強子的總電荷時，不要忘記反夸克具有相反的電荷。反夸克的重子數也具有相反的符號（負）。這就是為什麼介子實際上由一個夸克和一個反夸克組成，以使總重子數為零。

粒子反應

在粒子物理學發展的早期階段，為了找到各種粒子的組成部分，實驗物理學家只是讓它們相互碰撞並觀察“碎片”。然而，這種簡單的方法導致了混亂。例如， $\pi ^{-}$ 介子和質子之間的反應，

{\begin{matrix}\pi ^{-}+p\,\longrightarrow \,K^{0}+\Lambda ^{0}\ ,\end{matrix}}

(15.8)

會暗示（如果被天真地解釋的話） $K^{0}$ 或 $\Lambda ^{0}$ 是核子的組成部分，而π介子被整合到另一個“碎片”中。另一方面，相同的碰撞可以從同一個質子中敲出不同的“碎片”。例如，

{\begin{matrix}\pi ^{-}+p\,\longrightarrow \,\pi ^{0}+n\ ,\end{matrix}}

(15.9)

這會導致一個荒謬的暗示，即中子是質子的組成部分。

夸克模型很好地且邏輯地解釋了所有這些“謎題”。類似於化學反應只是原子的重排，(15.8 和 15.9) 型別的粒子反應只是夸克的重排。唯一的區別是，與化學不同的是，化學中原子數不會改變，碰撞前的夸克數不一定等於碰撞後的夸克數。這是因為來自一個碰撞粒子的夸克可以與來自另一個粒子的相應反夸克湮滅。此外，如果碰撞足夠強大，夸克-反夸克對可以從真空中產生。

以所謂的“夸克流圖”的形式描繪粒子變換是方便的。在這樣的圖上，夸克由線表示，這些線可以被視為顯示它們從左到右運動的軌跡。

**圖 15.8：** 反應的夸克流圖。 $\pi _{}^{-}+p\longrightarrow K^{0}\Lambda _{}^{0}$

例如，圖 15.8 中給出的圖顯示了反應 (15.8) 的夸克重排。如你所見，當介子與質子發生碰撞時，其 ${\bar {u}}$ 夸克與質子中的 $u$ 夸克湮滅。同時， $s{\bar {s}}$ 對從真空中產生。然後， ${\bar {s}}$ 夸克與 $d$ 夸克結合形成奇異介子 $K^{0}$ ，而 $s$ 夸克與 $ud$ 對一起形成奇異重子 $\Lambda ^{0}$ 。

**圖：15.9** 反應 $\pi ^{-}+p\,\longrightarrow \,\pi ^{0}+n$

圖 15.9 顯示了電荷交換反應 (15.9) 的一個更簡單的重排過程。你可能想知道為什麼 $\pi ^{0}$ 介子中相同味的夸克和反夸克沒有湮滅。它們確實湮滅了，但不是立即湮滅。由於這種湮滅， $\pi ^{0}$ 的壽命比 $\pi ^{\pm }$ 的壽命短 1 億倍（參見表 15.3）。

儘管夸克流圖技術很簡單，但它是一種非常強大的方法，不僅可以用來解釋觀察到的反應，還可以用來預測實驗中尚未觀察到的新反應。知道粒子的夸克組成（這在現代物理手冊中都有），你可以畫出很多這樣的圖，描述可能的粒子轉化。唯一的要求是保持線段連續。它們只有在相同味的夸克-反夸克對中才能消失或出現。

然而，夸克線的連續性只適用於強相互作用引起的那些過程。事實上， $\beta$ -衰變是一個自由中子（由弱力引起），

{\begin{matrix}n\,\longrightarrow \,p+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}\ ,\end{matrix}}

(15.10)

以及原子核的 $\beta$ -衰變表明夸克可以改變味。特別地， $\beta$ -衰變（15.10 或 15.6）發生是因為 $d$ 夸克轉變為 $u$ 夸克，

{\begin{matrix}d\,\longrightarrow \,u+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}\ ,\end{matrix}}

(15.11)

這是由於弱相互作用，如圖 15.10 所示。

圖：中子 $\beta$ 衰變的夸克流圖。

夸克禁閉

此時，一個非常合乎邏輯的問題是，是否有人觀察到孤立的夸克？答案是否。為什麼？當沒有人見過孤立的夸克時，人們如何能如此確信夸克模型呢？

基本上，你無法看到孤立的夸克，因為夸克之間的吸引力不允許它們分離。與所有其他系統不同，夸克之間的吸引力隨著它們之間距離的增加而增強。這就像一根連線兩個球的橡皮筋。當兩個球彼此靠近時，橡皮筋沒有伸展，球不會感覺到任何力。但是，如果你試圖將兩個球分開，橡皮筋就會將它們拉回來。你拉伸橡皮筋越多，力就越強（根據胡克彈性定律）。當然，真正的橡皮筋最終會斷裂。夸克之間的力不會發生這種情況。它可以無限增長。這種現象被稱為夸克禁閉。

儘管如此，我們確信核子由三個具有分數電荷的夸克組成。一百年前，盧瑟福透過觀察帶電粒子從原子散射，證明了原子的正電荷集中在一個小的原子核中。如今，類似的實驗證明了核子內部存在分數點電荷。

夸克模型實際上比夸克流圖複雜得多。它是一個一致的數學理論，解釋了大量的實驗資料。這就是為什麼沒有人懷疑它反映了現實。