我們可以把這些粒子歸入一個有序體系,并用下列的參數來區分它們:電荷、總自旋(也就是量子機械性本征旋轉)以及受到強相互作用的影響。
自旋為1/2,不參與強相互作用。一共有六種輕子,三種帶電荷,另外三種不帶電荷。
三種帶電荷的輕子分别為:
電子(标記為e),能量為0.511 MeV, 穩定;
μ子(标記為μ),能量為160 MeV,不穩定;
τ子(标記為τ),能量為1777 MeV,不穩定;
剩下三種不帶電荷的輕子,即中微子,幾乎是無質量的。這三種中微子與前面提到的電子、μ子和τ子對應,分别是電子中微子(縮寫為νe),μ子中微子(縮寫為νμ)和τ子中微子(縮寫為ντ)。
上述的每一種輕子,存在與之對應的反粒子。需要注意的是,反粒子和中微子也不是完全相同的。
根據現有的物理學知識,這六種輕子是構成物質的基本組元。
電子中微子隻能通過弱相互作用力轉變成電子,反之亦然,但電子中微子或電子絕不會變成μ子或者τ子。同樣的規則也适用于μ子或者τ子。
強子這些粒子受到強相互作用(強核作用力)。自然界存在着許多種強子,盡管這些強子的帶電量和自旋值不盡相同,但都滿足兩條規律:帶電量為整數且是元電荷的 -2 ~ 2 倍;半數自旋值和整數自旋值在0 ~ 3/2 之間。那些擁有整數自旋值(0或1)的強子叫做介子,而那些擁有半數自旋值(1/2或3/2)的強子叫做重子,後者包括質子和中子。
讓我們列舉一些能表明強子内部結構的事實。
自然界存在許多種不同的強子。對于一些強子而言,例如質子、中子或帶電的介子,它們的粒徑可以有一定程度的擴張,大約在0.5 ~ 1 費米【1費米 = 10^-15米】。值得注意的是,質量相近的強子一次又一次地成群出現。
基于上述和其它的事實,Gell-Mann, Zweig和其他學者于1964年提出這樣的假說:所有的強子都僅由少數幾種基本單元組合而成,即所謂的誇克。質子由兩個上誇克(帶電荷為 2/3)和一個下誇克(帶電荷為-1/3)組成。
直到現在,人們還沒能在任何檢測器中觀測到任意一個自由活動的誇克,現在人們也這是不可能的。但是,強子中的誇克還是可以通過一些方法被具體的檢測到,比如高能電子轟炸(此方法類似于盧瑟福所做的散射實驗,據此他證明了原子内部原子核的存在)。
那一共有多少種作為基本單元的誇克呢?最開始,人們認為隻有兩種,即上誇克和下誇克(分别用字母u和d來代表)。上誇克和下誇克可以組成質子(uud,即兩個上誇克和一個下誇克)和中子(udd,即一個上誇克和兩個下誇克)。然而,随着研究的深入,人們發現了四種新的誇克,它們分别被稱為奇誇克、粲誇克、底誇克和頂誇克(分别用s,c,b,t來代表)。這其中最重的誇克是頂誇克,直到1995年才被檢測到。值得注意的是,這六種誇克可以類比輕子來進行排列。
人們用上、下、奇、粲、底、頂的方式來命名誇克。每個上誇克擁有 2/3的電荷(相應的反誇克則擁有-2/3的電荷),下誇克則擁有-1/3的電荷(相應的反誇克則擁有 1/3的電荷)。即使每個誇克擁有的電荷數是1/3的整數倍,但迄今所知的所有強子都擁有整數倍的電荷。人們發現所有的重子都由三個誇克或反誇克組成,而所有的介子都僅由一個誇克和反誇克組成。故而,強子所帶電荷數必然是整數。
如果要測定一個誇克的質量,必須要保證這個誇克可以無拘束地活動,但是固有的局限是,自然界不存在可以自由活動的誇克。相應的,人們提出兩種方法,在某種程度上表征誇克的質量。第一種方法是,忽略誇克之間的結合能,并假設一個強子的總質量等于其所含誇克質量的總和。例如,如果上誇克和下誇克的質量都被估計為320MeV/c^2,據此,算出的質子(誇克組合uud)和中子(誇克組合udd)的質量可以符合測量值。這種方法測算得到的誇克質量,被稱之為“組分誇克質量”。
另外,我們可以用簡單模型(如,非相對論誇克模型)來粗略估計誇克之間的作用力。這種模型假設作用力是恒定的,無論誇克間的距離有多大,換言之作用力與距離長短無關。基于這種模型的假設,誇克永遠不能脫離相互作用,成為自由運動的粒子,這符合了前述的誇克運動的限制條件。
現在,我們來看看第二種定義誇克質量的方法。強相互作用力将誇克結合在一起,形成強子。強相互作用力的一種性質是,漸進自由性,即:随着距離的縮短,誇克的有效色荷會減弱。據此,可行的辦法是,用電子來撞擊誇克,依據量子場理論來近似誇克的運動軌迹(至少在初始階段的軌迹),最後确定誇克的近似質量。通過這種方法得到的誇克質量,稱之為“流誇克質量”。
在這六種誇克中,頂誇克有着特殊的地位。它的質量很大,故而衰變速率很快,壽命極短。它甚至來不及形成強子就衰變了。
總體來說,流誇克質量比組分誇克質量要小。對于三種輕質量的誇克,上誇克、下誇克和奇誇克,兩種質量之間的差值約為300 MeV/c^2。打個比方,組分誇克可以被看作是一個帶殼的流誇克,這個殼的質量在300 MeV/c^2到500 MeV/c^2之間。
隻有那些帶色荷的粒子,更準确地說,帶有不為0的色荷向量的粒子,才會受到強相互作用的影響。
強相互作用力作用于帶色荷粒子,依靠的是膠子的傳遞。
膠子最早于1979年在德國漢堡的德國電子同步加速器研究所(DESY)的正電子-電子串聯環加速器(PETRA)被觀測到。自然界一共存在八種不同的膠子,每一種膠子帶有不同的色荷組合。六種膠子各擁有兩種色荷,剩下的兩種膠子分别擁有四種和六種色荷。
強相互作用不僅将誇克結合在一起形成質子和中子,還作用于原子核内的質子和中子之間(即核能),并且還存在于放射性衰變中。
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