并不成为自由中子飞出来.第六章 粒子世界 4 §6.13 夸克模型理论和强子结构 夸克模型 20世纪60年代初期,实验上发现了大量的新强子.在对大量强子及其运 动性质分析的基础上,1964年,美国物理学家盖耳-曼和兹韦格(GeorgeZweig)分别的结构模型,认为所有的强子都是由更深层次的 粒子所组成的. 对于这种更深层次的粒子,盖耳-曼称之为夸克,兹韦格称之为爱司,现 在一般都称之为夸克.这个强子的结构模型称为夸克模型.盖耳-曼和兹韦格 当时提出夸克有3种,称为3“味”,即 “上夸克”、“下夸克”、“奇异夸克”,
分别用符号u、d、s代表.夸克的自旋量子数为1/2,重子数为1/3.上夸克 带有2/3单位的电荷,下夸克和奇异夸克都带有-1/3单位的电荷.上夸克和 下夸克的奇异数为0,奇异夸克的奇异数为-1.重子由3个夸克组成,反重 子由3个反夸克组成.介子由一对夸克和反夸克所组成.夸克模型可以很好解 释当时已发现的所有的强子及其运动性质,并给出许多预言. 1963年,粒子物理实验中已经发现了9个极不稳定的自旋量子数等于3/2 -23 的重子,粗纤维测定仪质量都在1230MeV到1535MeV范围内,平均寿命都只有10s的 数量级.按夸克模型,组成这9个重子的夸克分别为: Δ(uu uu)、Δ(uud)、Δ(ud dd)、Δ(dd dd)、 Σ(uus)、Σ(uds)、Σ(d dds)、 (us ss)、(ds ss). 夸克模型认为,这9个粒子应该属于由10个粒子组成的一族.从这9个重子 出发,预言还应该存在一个由3个奇异夸克(s sss)组成的自旋量子数也等于3/2 的 Ω重子. 理论预言 Ω重子带一个单位的负电荷,其质量约为m=1678MeV,平均 -10 寿命约为10s,这个寿命值比已经发现了的9个粒子的寿命值要长了约12 个数量级,从粒子物理世界的标准来说是相当稳定的粒子.
理论预言 Ω重子的主要衰变方式有3种:一种是衰变为1个 Λ重子和1 个带负电的K介子;另一种是衰变为1个中性重子和1个带负电的 π介子; 再一种是衰变为1个带负电的重子和1个中性 π介子. 夸克模型认为介子和重子都是分族地存在的,每一族粒子具有相同的自旋 量子数,它们的相互作用性质相近.当时已经知道自旋量子数为0和1的介子 都已有8个粒子组成一族的,自旋量子数为1/2的重子也已有8个粒子组成一 §6.13 夸克模型理论和强子结构 1 35 族.这几族粒子都是族内粒子性质相近,表现在平均寿命上,或者都是长寿命 粒子,或者都是极不稳定的短寿命粒子. 夸克模型对 Ω重子的这个预言使物理学家们非常兴奋,因为这个预言所 依据的已经发现的9种粒子都是极不稳定的,寿命极短的粒子,然而预言应该 存在的却是一个衰变行为和它们极不相同,而且和它们比起来寿命长得出 奇— ———要长12个数量级的粒子.这在粒子物理学的发展中还是初次遇到. 在实验上检验具有这些性质的 Ω重子是否确实存在就成为对强子结构的 夸克模型理论的一个判定性检验.
1964年,美国Bro ookhaven国家实验室的粒子物理实验中发现了一个带单 -10 位负电荷的量子,其质量为m=1672.45MeV,平均寿命为0.82 22×10s, 这种重子衰变时的主要衰变方式果然是夸克模型理论所预言的那3种.粒子的 质量、寿命、主要衰变方式都完全符合夸克模型理论的预言,这样强子结构的 夸克模型理论得到了判定性检验. 色相互作用和胶子 夸克和反夸克结合成强子是通过比电磁相互作用强得多的相互作用而实现 的,这种相互作用称为色相互作用.色相互作用的媒介粒子是胶子,夸克和反 夸克通过交换胶子而结合成强子,夸克和反夸克可以放出或吸收胶子的能力来 自于它们具有色荷.夸克可以具有的色荷有3种,即每味夸克和反夸克又都分 别各有3 “色”.夸克放出和吸收胶子时其所带色荷可以改变,也可以不改变, 这反映为胶子有3×3-1=8种,带有8种复合色. 强子结构的夸克模型还进一步给出,除了重子和介子外,还可能有2个或 3个胶子组成的强子,称为 “胶球 ”;还德曼(LeonMaxLederman nn)发现了第五味夸克,称为 “底夸克”,用符号b代表,它是通过发现 γ粒子实现的.γ粒子是底夸克和反 底夸克所组成的,质量是质子的10倍多,平均寿命比J/ψ粒子还长.理论上 预言还应存在第六味夸克,称为 “顶夸克”,用符号t代表,实验上从1977年 以来一直在寻找顶夸克,直到19 995年,终于在实验中发现了顶夸克. 狭义相对论给出粒子具有的能量等于粒子的质量乘真空光速的平方,因此 粒子静止质量的大小可以用相应的静止能量来表示.上夸克的静止质量为1~5MeV,下夸克的静止质量为3~9MeV,奇异夸克的静止质量为75~170MeV, 它们统称为轻夸克.粲夸克的静止质量为1150~1350MeV,即1.15~1.35GeV,底夸克的静止质量为4000~4400MeV,即4.0~4.4GeV,统 称为重夸 克.
过去理论上对还未发现的顶夸克的相互作用性质和运动行为给出了详细的 预言,但对于它的质量则完全没有预言.1977年发现底夸克后,人们从已发 现的各夸克质量变化的趋势,曾猜测顶夸克的质量可能是底夸克质量的3倍左 右,即150 000MeV附近,但在这质量附近并没有找到顶夸克.从1977年以后 的十几年间,先后进行了大量的工作来探寻顶夸克,但都一直没有找到.每一 次否定的实验结果都给出顶夸克质量的一个下限. 综合各方面的实验结果结合进行理论分析,能够推测出如果顶夸克确实存 在,其质量应该为 m=168.2+9.6-7.4GeV. 19 995年3月,美国的费米实验室正式宣布发现了顶夸克。直接测量得到顶夸 克的质量为 m=(174.3±5.1)GeV. 至此,全部6种夸克都已经被发现了. 顶夸克是粒子世界中现在已经发现的最重的一个组元,它的质量远比现在 已经发现的其它粒子重得多,就是和原子相比,也是相当重的.质子是由3个 §6.14 标准模型及相互作用的统一 1 39 轻夸克组成的重子.考虑一个由3个顶夸克组成的重子,它的质量至少相当于 55 55.7个质子的质量.比现在已知的最重的人工制造的原子核的2倍还要重. 如果用相对原子质量来表示顶夸克的质量,顶夸克的 “相对原子质量 ” 为186.58.作为对比,铼的相对原子质量是186.207,锇的相对原子质量是 190.23,顶夸克的相对原子质量和它们接近.但是顶夸克具有的重子数只是 1/3;铼的重子数是186;锇的重子数是190.在重子数的值上的差别就显现出 来它还 没有观察到其存在的证据. 相互作用统一理论的探寻 微观粒子之间存在着4种相互作用,这4种相互作用之间存在什么联系, 它们是否可以从更深刻的角度统一起来,一直是粒子物理学家关心的问题. 爱因斯坦在建立广义相对论之后,花了很长的时间致力于统一场论的研 究,他希望能建立一个把电磁相互作用和引力相互作用统一起来的理论.然 而,他的这项研究并没有能取得成功,归根结底,是因为物理学的发展在当时 的条件下还不够成熟.当时人们对电磁相互作用和引力相互作用的宏观规律已 经认识得相