“色”“味”俱全的夸克,拥有哪些与众不同的组合

20世纪以来,随着科学技术的不断发展,人类对物质结构的认识也在不断的深入。特别是1930年第一台粒子加速器的发明,标志着对物质微观世界的探索进入了一个新的时代。

“色”“味”俱全的夸克,拥有哪些与众不同的组合

粒子加速器模型

1964年由物理学家墨里.盖尔曼(1929年09月—)和乔治.茨威格(1937年5月—)在研究前人成果的基础上分别提出了夸克模型。把夸克分为三味:上夸克,下夸克,奇夸克。在此以后,科学家利用线性粒子加速器,进行深度非弹性散射实验,先后发现了粲夸克,底夸克,顶夸克。

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SLAC粒子加速器

六十年代开始量子物理开始形成一个标准模型(Standard Model, SM),它是一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。它隶属量子场论的范畴,并与量子力学及狭义相对论相容。到目前为止,几乎所有对以上三种力的实验的结果都合乎这套理论的预测。但是标准模型还不是一套万有理论,主要是因为它并没有描述到引力。

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现在我们知道夸克共分6种,按质量从小到大排列为:上夸克(u),下夸克(d),奇夸克(s),粲夸克(c),底夸克(b),顶夸克(t)。称之为“六味”。它们还有自己各自的反粒子既反夸克。

夸克是一种强电荷,它的的电荷值为分数—基本电荷的+2⁄3倍或-1⁄3倍,随味而定。上、粲及顶夸克(这三种叫“上型夸克”)的电荷为+2⁄3,而下、奇及底夸克(这三种叫“下型夸克”)的电荷则为−1⁄3。反夸克与其所对应的夸克电荷相反:上型反夸克的电荷为−2⁄3,而下型反夸克的电荷则为+1⁄3。由于强子的电荷为组成它的夸克的电荷总和,所以所有强子的电荷均为整数:三个夸克的组合(重子)、三个反夸克(反重子)或一个夸克配一个反夸克(介子)加起来电荷值都是整数。

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例如,组成原子核的强子—中子和质子—其电荷分别为0及+1。中子由两个下夸克和一个上夸克组成,而质子则由两个上夸克和一个下夸克组成。而所有的介子都是由一对正–反夸克构成。所有的夸克都由胶子联接。

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夸克的组合

夸克用“色荷”来表示电荷的大小。色荷共分三种,可任意标示为“蓝”,“绿”及“红”。每一种色荷都有其对应的反色荷—“反蓝”,“反绿”及“反红”。每一个夸克都带一种色,而每一个反夸克则带一种反色。其实更恰当的一种表示方法也许称为“强电荷1”,“强电荷2”,“强电荷3”。

掌管夸克之间相互作用的系统是由三种色的各种不同组合所负责,叫强相互作用,它是由胶子所传递的。一个带有某种色荷的夸克,可以和一个带对应反色荷的反夸克,一起生成一个束缚系统(胶子);三个(反)色荷各异的(反)夸克,也就是三种色各取一种,同样也可以束缚在一起形成束缚态。两个互相吸引的夸克会得到色中性。

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标准模型中的基本粒子

理论上一个夸克包含三种颜色,反夸克包含三种反颜色。假设正电子和电子的湮没过程中产生了一个光子,则一个夸克和反夸克的湮灭会产生一个胶子。正如电荷守恒一样,颜色也是守恒的。3种颜色和3种反颜色组合在一起,总共有9种可能性。这9种可能性中有一种颜色呈中性,并不属于颜色胶子。理论上共有8种不同的胶子,每一种都有颜色(与反颜色)。因为胶子理论上能与所有的有色粒子相互作用,所以胶子之间也可以发生直接的作用。

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由胶子联接的夸克

一个强子中的大部份的质量都属于把夸克束缚起来的胶子,而不是夸克本身。尽管胶子的质量为零,它们拥有相互作用能—更准确地说应为量子色动力学产生的束缚能—就是它把夸克结合成强子所提供的能量。例如,一个质子的质量约为938 MeV/C2,其中三个价夸克大概只有11 MeV/c2,其余大部份质量都可以归咎于胶子强相互作用产生的束缚能。

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夸克和其他粒子的关系

夸克只能通过弱相互作用,由一种味转变成另一种味。弱相互作用是粒子物理学的四种基本相互作用之一,它的发现原于对原子核β衰变的研究。任何上型的夸克(上、粲及顶夸克)都可以通过吸收或释放一W玻色子而变成下型的夸克(下、奇及底夸克),反之亦然。


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