夸克是怎麼被發現的?

PhD肖


科學家從來沒有“發現”或觀察到“單獨的夸克”,只是在研究“質子的結構”時,認為“應該有夸克存在”,所以才產生了“夸克”這個“概念”。

首先,科學家確認,質子是“有內部結構”的,因為觀察到了質子“存在著激發態”,其“第一激發態”的能量為200MeV。根據對原子和原子核的研究可知,存在著激發態,就表明“系統內部”有結構,也就是說,質子是由“更小的粒子”組成。而與此相對應的是,自由電子從來沒有被觀察到“存在激發態”,所以現在科學家認為,電子是“基本粒子”,沒有“內部結構”。

其次,科學家使用了“探針”來探索質子的“內部結構”,“探針”就是“更小的粒子”——電子和中微子。將高能電子“射向”質子,可以發生“散射”,類似於盧瑟福將α粒子轟擊金箔一樣,電子轟擊質子,可以得到“散射數據”。對散射實驗結果的分析,發現如果假定質子中“存在三個散射中心”,就可以很好的解釋“散射實驗數據”。所以假設了“質子是由三個更小的粒子組成”,而這種“粒子”,就叫做“夸克”。

當然還有其他的一些實驗,包括“中微子在質子上的散射”實驗,發現也存在著“三個散射中心”(就是假定有三個散射中心,實驗數據解釋的最好)。再結合對於中子性質的研究,就假定了“存在著兩種夸克”,質子和中子是由這兩種夸克組成,還能夠解釋為何質子帶正電而中子不帶電。

但試圖將質子“打碎”而釋放出夸克的任何努力,包括極大的提高了“碰撞能量”,都得不到“單獨的夸克”,而是產生了許多“新粒子”(大多數粒子的壽命極短)。這樣,就產生了所謂的“夸克色幽禁理論”,認為“單色的夸克”是不能“自由的”,必須組成“白色的粒子”(紅藍綠組成白色)才能被觀察到。

而隨著碰撞能量越來越高,產生的“新粒子”也越來越重,於是,“兩種夸克”就無法解釋了,需要增加夸克種類,目前一直增加到六種夸克,類似於托勒密的“均輪”。

這就是關於夸克的基本事實。所以,如果有人說“發現了夸克”,那就是胡說八道。


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