原子核內部
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組成 - 原子核 - 核力 - 結合能和核質量 - 放射性 - 核反應 - 探測器 - 核能 - 核反應堆 - 核聚變 - 宇宙起源基本粒子: β衰變 - 粒子物理學 - 夸克與輕子 - 自然力

夸克與輕子

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。利用極其複雜的數學技巧，他們設法將強子歸類為一些家族，這意味著所有已知（以及尚未發現的）強子都是由只有六種型別、帶有分數電荷的粒子構成的。這一成就（以諾貝爾獎的形式）主要歸功於 M. Gell-Mann 和 G. Zweig。

起初，他們考慮了強子的一個子集，並開發了一種僅包含三種類型此類真正基本粒子的理論。當 Murray Gell-Mann 思考為它們起名時，他翻閱了 James Joyce 的著作《芬尼根醒酒記》。書中第 383 頁出現了一行：“三夸克給 Muster Mark！”（這個詞 quark 融合了 quart 和 quack 等詞）。他需要一個名字來稱呼三種粒子，而這就是答案。因此，術語 quark 就這樣誕生了。

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該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粒子，也就是說它們沒有內部結構，因此尺寸為零（點狀粒子）。因此，世界是由 15.4 表中列出的僅 12 種類型的基本構建塊構成的。令人驚奇的是，早在所有其他粒子發現之前一個多世紀就被發現的電子，竟然是其中之一！

**表：15.4** *宇宙的基本構建塊。*
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	奇怪	$s$	$-1/3$	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

在蓋爾曼使用了一個有趣的名稱（夸克）來稱呼基本粒子之後，基本物理學就被這些名稱所充斥。例如，六種夸克型別被稱為風味（對於乾酪，這確實很合適），每種夸克可以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研究人員需要這種笑話來用風味調味無味的食物。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屬性（類似於電荷），這些屬性在人類世界中不存在。

強子

有些粒子可以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。它們在短距離內非常強（ $\sim 10^{-15}$ m)，當粒子間的距離增加時，它們會很快消失。所有這些粒子都被稱為強子。質子和中子是強子的例子。請記住，我們在嘗試觀察核子內部時，尤其是中子時，發現了各種各樣的粒子。那麼，中子是由什麼組成的呢？在瞭解了夸克之後，我們能最終得到答案嗎？是的，我們可以。根據現代理論，所有強子都由夸克組成。夸克可以以兩組或三組的形式組合在一起。兩夸克的束縛態被稱為介子，而三夸克的束縛態被稱為重子。沒有其他數量的夸克可以形成可觀察的粒子（最近，實驗學家和理論學家開始積極討論五夸克存在的可能性，這是一種由五個夸克組成的奇異粒子）。

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。將此圖與表 15.4 進行比較，您可以看到為什麼夸克具有分數電荷。在計算強子的總電荷時，您不應該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（負數）。這就是為什麼介子實際上是由一個夸克和一個反夸克組成，以便總重子數為零。

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，實驗學家只是將它們碰撞並觀察碎片。然而，這種直接的方法導致了混亂。例如， $\pi ^{-}$ 介子和質子的反應

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

(15.8)

會暗示（如果天真地解釋） $K^{0}$ 或 $\Lambda ^{0}$ 是核子的組成部分，而π介子被包含在另一個碎片中。另一方面，相同的碰撞可以從同一個質子中擊出不同的碎片。例如，

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

(15.9)

這導致了一個荒謬的建議，即中子是質子的組成部分。

夸克模型很好地解釋了所有這些難題。與化學反應只是原子重新排列一樣，（15.8 和 15.9）型別的粒子反應只是夸克的重新排列。唯一的區別是，與化學中原子數目不變相比，碰撞前夸克數目不一定等於碰撞後夸克數目。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。

用所謂的夸克流圖來描述粒子轉換是方便的。在這些圖中，夸克用直線表示，這些直線可以被視為顯示它們從左到右運動軌跡的軌跡。

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

例如，圖 15.8 中的圖示展示了反應 (15.8) 的夸克重排。如您所見，當介子與質子發生碰撞時，其 ${\bar {u}}$ 夸克與質子中的 $u$ 夸克發生湮滅。與此同時， $s{\bar {s}}$ 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 $\pi ^{-}+p\,\longrightarrow \,\pi ^{0}+n$ 的夸克流圖。

如圖 15.9 所示，電荷交換反應 (15.9) 是一種更簡單的重排過程。您可能想知道為什麼 $\pi ^{0}$ 介子中相同味的夸克和反夸克不會發生湮滅。是的，它們會，但不是立即發生。由於這種湮滅， $\pi ^{0}$ 的壽命比 $\pi ^{\pm }$ 短1億倍（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，不僅可以解釋觀察到的反應，還可以預測實驗中尚未見到的新反應。瞭解粒子的夸克組成（可以在現代物理手冊中找到），您可以繪製大量此類圖，這些圖將描述可能的粒子轉換。唯一的規則是保持線條連續。它們只能在相同味的夸克-反夸克對消失或出現。

然而，夸克線的連續性僅對強相互作用引起的程序有效。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。特別是， $\beta$ -衰變（15.10 或 15.6）發生是因為 $d$ 夸克轉化為 $u$ 夸克，

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

(15.11)

由於弱相互作用，如圖 15.10 所示

圖：中子的 $\beta$ 衰變的夸克流圖。

夸克禁閉

此時，很自然地會問，是否有人觀察到孤立的夸克。答案是沒有。為什麼？以及為什麼人們能對夸克模型如此自信，儘管沒有人見過孤立的夸克？

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。與其他所有系統形成對比，夸克之間的吸引力隨著它們之間距離的增大而增強。這就像一根連線兩個球的橡皮繩。當球彼此靠近時，繩子沒有拉伸，球之間沒有任何作用力。然而，如果你試圖將球分開，繩子會將它們拉回來。你拉伸繩子越多，作用力就越強（根據胡克彈性定律）。當然，真正的橡皮繩最終會斷裂。而夸克之間的作用力不會斷裂。它可以無限增大。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核裡。如今，類似的實驗證明了核子內部存在分數點狀電荷。

夸克模型實際上比夸克流圖要複雜得多。它是一個一致的數學理論，可以解釋各種各樣的實驗資料。這就是為什麼沒有人懷疑它反映了現實的原因。