夸克,膠子和希格斯場的關係

希格斯場理論,是物理學家彼得.希格斯在1964年提出的。是一種假定遍佈於全宇宙的量子場。按照標準模型的希格斯機制,某些基本粒子因為與希格斯場之間相互作用而獲得質量。希格斯玻色子是希格斯場的振動。

根據該理論,費米子、W玻色子、Z玻色子因為自身的吸引力,通過希格斯場獲得質量,而光子、膠子由於自身沒有吸引力,其通過希格斯場的質量為零。希格斯機制應用自發對稱破缺來賦予粒子質量。

夸克,膠子和希格斯場的關係

希格斯玻色子

既然有希格斯場,那有沒有希格斯物質呢?小編認為有,2003年1月至3月,美國能源部下屬的布魯克黑文國家實驗室科學家,利用相對論重離子對撞機(RHIC)進行的一系列實驗,其中包括金核與氘核(氘-金)對撞的實驗、兩束氘核(氘-氘)對撞實驗,並與所做的兩束金核(金-金)對撞的實驗結果作對比分析,發現了呈液體狀態夸克膠子等離子體。有可能希格斯物質與夸克膠子等離子體為同一物質。

夸克,膠子和希格斯場的關係

夸克膠子等離子體

按照量子物理基本模型,光子和膠子是沒有質量的。上夸克的質量為1.7 to3.3( MeV/c2),下夸克的質量為4.1 to 5.8( MeV/c2)。兩個上夸克和一個下夸克組成質子,兩個下夸克和一個上夸克組成中子。質子的質量為938百萬電子伏特/c²(MeV/c²),即1.672621637(83)×10-27千克,大約是電子質量的1836.5倍,中子的質量為 1.6749286 ×10-27千克(939.56563兆電子伏特),比質子的質量稍大。

夸克,膠子和希格斯場的關係

質子和中子

美國加利福尼亞勞倫斯伯克利國家實驗室,通過實驗得出:質子的質量9%來源於夸克,32%來源於夸克內部的能量,36%來源於膠子的能量,23%圍繞夸克和膠子的相互作用時發生的量子效應。像質子、中子一類複合粒子的質量,只有約1%是歸因於將質量賦予夸克的希格斯機制,剩餘約99%是夸克的動能與強相互作用的零質量膠子的能量。

可以看出,希格斯機制並不是使用一種奇蹟式的“無中生有”方法來生成粒子質量,而是從以能量形式儲存質量的希格斯場將質量轉傳給粒子。為了說明膠子是怎樣產生夸克的,目前比較流行的是“通量管”學說(也稱橡皮筋學說),當通量管被拉長時,會出現張力,因此將夸克禁閉於強子內部。當通量管被拉到足夠長之時,在能量方面,從真空製成一個夸克-反夸克對會比一味地增加通量管長度更為有利,這時,繼續拉長通量管可能會導致通量管會斷裂,形成一個夸克-反夸克對。

夸克,膠子和希格斯場的關係

夸克膠子結構想象圖

相對於夸克,膠子和希格斯物質場的關係,“通量管”學說只是提供了一種可能性。畢竟到目前為止,並沒有實驗觀察到實際的情況,哪怕是間接的。那三者的關係除了“通量管”學說,有沒有另外的可能呢?我們可以探討一下:

在宇宙大爆炸發生時,由於不均勻性,不同部位的能量是不同的。物質的形態也千差萬別。通過不斷的撞擊,摩擦,分解,重組,一部分物質形成了裹挾能量的夸克膠子等離子體。在這液化的物質離子體中,能量以膠子的形態存在,膠子好比一個容量很大的電容,擁有巨大的能量。兩端帶相同的正電荷和負電荷。所以整體沒有吸引力。膠子與等離子體接觸時,由於相位差的關係,會產生放電現象。即兩端放出相等的正負電荷,與離子體中形成兩個帶電荷的離子球體。即正反夸克,由於帶正負電荷,所以擁有質量。

夸克,膠子和希格斯場的關係

夸克形成想象圖

在現實世界中,也有類似的情況出現。比如特斯拉線圈和自然界中難得一見的球型閃電,形成的原理和夸克有可能有許多相似之處。為此,俄羅斯科學家還專門作了這個方面的研究。

據俄《科學信息》雜誌報道,俄羅斯科學院聖彼得堡康斯坦丁核物理研究所專家在研究中發現,球狀閃電由呈陽性的氫離子和呈陰性的氫氧基離子構成,球狀閃電中的這些離子被水汽包裹著,水分子能夠阻止兩種離子結合到一起,從而使得球狀閃電能夠存在一些時間。根據這種特點,他們在實驗室中製造出了球狀閃電。

夸克,膠子和希格斯場的關係

試驗室中的球形閃電

在宇宙大爆炸期間,形成了許多夸克膠子等離子體。它們不斷地相互撞擊,摩擦,分解,重組,會生成了許多帶有不同能量的膠子。有的膠子單獨生成正負夸克,如W玻色子、Z玻色子等。有的者首尾相連,形成膠子組。現在有發現四個膠子,五個膠子的組合。其中三個膠子的組合最穩定。在地球上發現的只有上夸克和下夸克,其他夸克絕大多數都是在宇宙射線中發現的。質量大的夸克會不斷地衰變,直到穩定狀態。

夸克,膠子和希格斯場的關係

不同能量的膠子,通過正負相吸的原理組合在一起。在兩個膠子的結合部通過放電形成夸克。夸克的電荷大小和電性由相鄰的兩個膠子決定。夸克通過電荷引起的一系列反應吸引等離子體的物質,形成質量。如果相鄰的兩個膠子能量相同,則有可能形成光子。光子由於攜帶正負相反和電荷相等的能量,不具吸引力(由於光子表面具有電離層,是否擁有質量需進一步探討),即不會有電離層的物質吸附上來。膠子,夸克最穩定的組合就是質子,它的衰變期達130億年。


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