夸克禁闭之谜:从SLAC实验到弦理论

寻琴观看商业 2024-11-08 01:27:38

1974年丁肇中和李科特发现了J/ψ粒子,1977年莱德曼发现了ϒ粒子,粲夸克和底夸克的存在得到实验证实,夸克模型逐渐深入人心,成功地解释了两百多种粒子的分类。然而,由于夸克禁闭的存在,至今为止仍无法分离出单个夸克。

SLAC实验与夸克禁闭的提出

夸克禁闭最早是在斯坦福线性加速器中心(SLAC)进行的一系列实验中发现的。当时,科学家使用接近20 GeV能量的电子轰击质子,发现质子内部似乎存在一些微小的带电体,疑似夸克。

随着设备能量的提升,从几十GeV到几百GeV,再到如今的几百TeV,即使使用质子对撞的方法,也未能将夸克撞出来。因此,人们提出了夸克禁闭的说法。

随后,量子色动力学(QCD)的出现为夸克禁闭提供了另一种解释。早在1956年,也就是盖尔曼提出夸克模型的第二年,QCD就已出现。

QCD认为每一种夸克都具有独特的“味”(共6种),每种“味”的夸克又具有三种“颜色”(红、绿、蓝),反夸克则具有反颜色。这种属性被称为“色荷”。

需要注意的是,“味”和“颜色”并非我们日常生活中理解的味道和颜色,它们仅仅代表了两种新的量子数。QCD作为一种场论,需要一种粒子来传递夸克之间的强相互作用力,这种粒子被称为胶子,共有8种,以色荷区分。由此,我们得知强子的内部构成是由夸克和胶子组成的。

那么,为什么我们看不到夸克呢?QCD的解释是,组成强子的夸克必须颜色不同(红、绿、蓝各一种),三种颜色叠加在一起会变成“白色”。我们能观察到的所有粒子都是“白色”的,其他颜色的粒子是不可见的,这也被称为“色禁闭”。

有人可能会认为,“色禁闭”只是换了一种说法,并没有解释本质原因,甚至夸克的“颜色”属性也是人为规定的。那么,色禁闭的解释可信吗?

1973年,格罗斯、维尔切克和波利策在研究量子场论的过程中,意外地为夸克禁闭提供了另一种解释。当时,一些人怀疑量子场论的可靠性,因为当两个粒子无限接近时,作用力会出现无穷大的情况。

格罗斯和维尔切克师生二人试图证明基于杨-米尔斯规范场的QCD理论是错误的。然而,他们的数学推导结果表明,在杨-米尔斯规范场中,两个粒子无限接近时,作用力并非无穷大,而是趋于无穷小。

在一定范围内,粒子之间距离越近,作用力越弱,这种现象被称为“渐进自由”。相反,距离越远,作用力越大。几乎同时,波利策也得到了相同的结论。渐进自由理论的出现不仅消除了量子场论中的疑虑,还使QCD名声大噪。渐进自由似乎可以解释夸克禁闭:我们越想把夸克分开,强力就会越大。 2004年,这三位科学家因渐进自由理论的发现而获得了诺贝尔物理学奖。

弦理论及其他解释

弦理论也试图解释夸克禁闭,认为夸克之间由弦连接,当我们试图剪断这条弦时,断开处会迅速出现一对正反夸克,形成新的弦和新的粒子。然而,弦理论本身尚未得到证实,这种解释也缺乏足够的支持。

目前,一些研究认为夸克禁闭可能与真空的性质有关,但真相仍有待探索。

到目前为止,粒子物理学标准模型中的61种基本粒子已发现了60种。夸克有6种“味”和3种“颜色”,加上反粒子,共36种;轻子有6种(电子、缪子、陶子及其对应中微子),加上反粒子,共12种;规范玻色子有12种(8种胶子,1种光子,W⁺、W⁻和Z⁰玻色子)。

这60种粒子加上尚未被发现的希格斯玻色子,构成了标准模型的61种基本粒子。希格斯玻色子,也被称为“上帝粒子”,对标准模型的成立至关重要。

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