夸克(物理名词)

夸克(英语:quark)是一种参与强相互作用的基本粒子,也是构成物质的基本单元。夸克互相结合,形成一种复合粒子,叫强子。强子中最稳定的是质子和中子,它们是构成原子核的单元。由于一种叫“夸克禁闭”的现象,夸克不能够直接被观测到,或是被分离出来,只能够在强子里面找到。基于这个原因,我们对夸克的所知大都是间接的来自对强子的观测。

我们已知的夸克有六种。夸克的种类被称为“味”,它们是上(u)、下(d)、奇(s)、粲(c)、底(b)及顶(t)。上及下夸克的质量是所有夸克中最低的。较重的夸克会通过一个叫粒子衰变的过程,来迅速地变成上或下夸克。粒子衰变是一个从高质量的态变成低质量态的过程。就是由于这个原因,上及下夸克一般来说很稳定,所以它们在虹叠定宇宙中很常见,而奇、粲、顶及底则只能经由高能粒子的碰撞产生(例如宇宙射线及粒子加速器)并很快衰变。

夸克有着多种不同的内在特性,包括电荷、色荷、自旋及质腿页放量等。在粒子物理的标准模型中,夸克是唯一一种能经受全部四种基本相互作用(电磁、引力、强相互作用及弱相互作用)的基本粒子。另外,夸克也是现在已知唯一一种基本电荷为非整数的粒子。夸克的每一种味都有一种对应的反粒子,叫反夸克,它跟夸克的不同之处只在于它轿胶察陵的一些特性跟夸克大小一样但符号不同。

由夸克构成的强子根据其自旋可以分为重子(自旋为半奇数)和介子(自旋为整数)。所有的重子,比如质子和中子,都是由三个夸克组成的(反重子则是由三个反夸克组成的)。质子由两个上夸克和一个下夸克组成,中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。而所有的介子都是由一对正–反夸克构成。

夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》的词句“向麦克老人三呼夸克(Three quarks for Muster Mark)”。无非是指一个质子中有三个夸克。另外夸克在该书中具有多种含义,其

盖尔曼原本想用鸭的叫声来命名夸克。开始时他并不太确定自己这个新词的实际拼法,直到他在詹姆斯·乔伊斯小说《芬尼根守灵夜》里面找到“夸克”这个词:

向麦克老人三呼夸克!应慨墓

——《芬尼根守灵夜》,詹姆斯·乔伊斯

盖尔曼在其著作《夸克与美洲豹》中,更详细地述说了夸克这个词的由来:

在1963年,我把核子的基本构成命名为“夸克”(quark),我先有的是声音,而没有拼法,所以当时也可以写成“郭克”(kwork)。不久之后,在我偶尔翻阅詹姆斯·乔伊斯所著的《芬尼根守灵夜》时,我在“向麦克老大三呼夸克”这句中看到夸克这个词。由于“夸克”(字面上意为海鸥的叫声)很明显是要跟“麦克”及其他这样的词押韵,所以我要找个借口让它读起来像“郭克”。但是书中代表的是酒馆老板伊厄威克的梦,词源多是同时有好几种。书中的词很多时候是酒馆点酒用的词。所以我认为或许“向麦克老大三呼夸克”源头可能是“敬麦克老大三个夸脱”,那么我要它读“郭克”也不是完全没根据。再怎么样,字句里的三跟自然中夸克的性质完全不谋而合。

茨威格则用“埃斯”(Ace)来称呼他所理论化的粒子,但是在夸克模型被广泛接纳时,盖尔曼的用词就变得很有名。很多中国物理学家则称夸克为“层子”,在台湾地区亦曾翻译“亏子”,但并不普遍使用。

夸克味的命名都是有原因的。上夸克和下夸克被这样叫是源于同位旋的上、下两个分量,而它们确实各自带有这样一个量。奇夸克这个名字是因为它们是在宇宙射线的奇异粒子中被发现的。发现奇异粒子的时候还没有夸克理论,它们被视为“奇异”是因为它们的寿命不寻常地长。粲夸克的命名主要是来自美妙的对称性而得名。跟比约肯(James D. Bjorken)一起提出粲夸克的格拉肖(Sheldon L. Glashow)说过:“我们把它叫粲夸克是因为在构建它的过程中见到它为亚原子世界所带来的对称。我们被这种美迷住了,对成果感到很满意。”至于“顶”和“底”这两个名字,哈拉里(Haim Harari)决定这样做,是因为“它们是上夸克和下夸克逻辑上的伙伴”。以前,底夸克和顶夸克有时会分别被叫作“美”夸克和“真”夸克(它们用英文字母表示都为“b”和“t”,但这两个名字已经很少人会用了。

参见:粒子物理标准模型

粒子物理标准模型是描述所有已知基本粒子的理论框架,同时还包括希格斯(Higgs)玻色子    。此模型包含所有已知的六种味的夸克。夸克的反粒子叫反夸克,在对应的夸克符号上加一横作为标记,例如`u代表反上夸克。跟一般反物质一样,反夸克跟对应的夸克有着相同的质量、平均寿命及自旋,但两者的电荷及其它荷的符号则相反。

夸克的自旋为1⁄2。因此根据自旋统计定理,它们是费米子,遵守泡利不相容原理,即两个相同的费米子不能同时拥有相同的量子态。这一点跟玻色子相反(拥有整数自旋的粒子),在相同的量子态上相同的玻色子没有数量限制。跟轻子不同的是,夸克拥有色荷,因此它们会参与强相互作用。因为这种夸克间吸引力的关系,而形成的复合粒子,叫做“强子”。

在强子中决定量子数的夸克叫“价夸克”。除了这些价夸克,任何强子都可以含有无限量的虚(或“海”)夸克、反夸克,及不影响其量子数的胶子。强子分两种:带三个价夸克的重子,及带一个价夸克和一个反价夸克的介子。最常见的重子是质子和中子,它们是构成原子核的基础材料。我们已经知道有很多不同的强子,它们的不同点在于其所含的价夸克及这些内含物所赋予的性质。而含有更多价夸克的“奇特强子”,如四夸克粒子(qqqq)及五夸克粒子(qqqqq),仍在理论阶段。尽管实验上已有迹象表明其存在,但是它们的存在仍未被最终证实。

(图1解释:标准模型中的粒子有六种是夸克(图中用紫色表示)。左边的三列中,每一列构成物质的一代。)

基本费米子被分成三代,每一代由两味轻子和两味夸克组成。第一代有上及下夸克,第二代有奇及粲夸克,而第三代则有顶及底夸克。过去所有搜寻第四代基本粒子的研究均以失败告终,又存在有力的间接证据支持不会有超过三代。代数较高的粒子,一般会有较大的质量及较低的稳定性,于是它们会通过弱相互作用,衰变成代数较低的粒子。在自然中,只有第一代夸克(上及下)是常见的。较重的夸克只能通过高能碰撞来生成(例如宇宙射线),而且它们很快就会衰变;然而,科学家们相信宇宙起源极早期会存有重夸克,那时宇宙处于温度及密度极高的状态(夸克—胶子等离子体时期)。重夸克的实验研究都在人工的环境下进行,例如粒子加速器。

由于同时拥有电荷、质量、色荷及味,夸克是唯一一种能经受现代物理全部四种相互作用的已知粒子。对于个别粒子的相互作用而言,除非是在极端的能量(普朗克能量)及距离尺度(普朗克距离)下,引力实在是小得微不足道。另外,由于现时仍没有成功的量子引力理论,所以粒子物理的标准模型并不包含引力。最近,吴岳良发展引力量子场论将引力与电磁、弱和强三种基本相互作用放在平等的地位处理,并在量子场论框架下进行统一描述。

关于六种夸克味更完整的概述,可见于下文中的列表。

夸克模型于1964年由物理学家盖尔曼和茨威格独立提出。在这个提案前不久的1961年,盖尔曼提出了一种粒子分类系统,叫“八重态”—或技术上应叫SU(3)味对称  。以色列物理学家尤瓦勒·内埃曼(Yuval Ne'eman)在同年亦独立地开发出一套跟八重态相近的理论 

在夸克理论提出之前,当时的“粒子动物园”除了其它各种轻子,还包括了许多强子。盖尔曼和茨威格假定它们不是基本粒子,而是由夸克和反夸克组成的。在他们的模型中,夸克有三种味,分别是上、下及奇。他们把电荷及自旋等性质都归因于这些味。初时物理学界对于这份提案的意见不一,学界对于夸克的本质有所争论。有的认为夸克是物理实体,有的则认为,它只是用来解释当时未知物理的抽象概念而已。

在夸克模型提出后的一年之内,就有人提出了盖尔曼-茨威格模型的延伸方案。谢尔登·李·格拉肖(Sheldon L. Glashow)和詹姆斯·布约肯(James Bjorken)预测有第四种夸克存在,他们把它叫做“粲”  。加上第四种夸克的原因有三:首先、能更好地描述弱相互作用(导致夸克衰变的机制);其次、夸克的数量会变得与当时已知的轻子数量一样;最后、能产生一条质量方程,可以计算出已知介子的质量。

斯坦福线性加速器中心(SLAC)的深度非弹性散射实验在1968年指出,质子含有比自己小得多的点状物,因此质子并非基本粒子。物理学家当时并不愿意把这些物体视为夸克,反而叫它们做“部分子”(parton)—一个由理查德·费曼(Richard Phillips Feynman)所创造的新词  。随着更多味的发现,在SLAC所观测到的粒子后来被鉴定为上及下夸克。不过,“部分子”一词到现在还在使用,是强子构成物(夸克、反夸克和胶子)的总称。

奇夸克的存在由SLAC的散射实验间接证实:奇夸克不但是盖尔曼和茨威格三夸克模型的必要部份,而且还解释了1947年从宇宙射线中发现的K介子和π介子。

在1971年的一份论文中,格拉肖、约翰·李尔普罗斯(John Iliopoulos)和卢奇亚诺·马伊阿尼(Luciano Maiani)一起对当时尚未发现的粲夸克,提出更多它存在的理据  。到1973年,小林诚(Makoto Kobayashi)和益川敏英(Toshihide Maskawa)指出再加一对夸克,就能解释实验中观测到的CP破坏,于是夸克应有的味被提升到现时的六种  。

粲夸克在1974年被两个研究小组几乎同时发现:一组在SLAC,由伯顿·里克特(Burton Richter)领导;而另一组则在布鲁克黑文国家实验室,由丁肇中(Samuel Chao Chung Ting)领导。观测到的粲夸克在介子里面,与一个反粲夸克束缚在一起。两组分别为这种介子起了不同的名子—J及ψ,因此这种粒子的正式名子叫J/ψ介子。这个发现终于使物理学界相信夸克模型是正确的  。

在之后的几年,有一些把夸克数量增至六个的提案。其中,以色列物理学家哈伊姆·哈拉里(Haim Harari)在1975年的论文中,最早把加上的夸克命名为“顶”及“底”  。

底夸克在1977年被利昂·莱德曼(Leon Lederman)领导的费米实验室研究小组观测到  。这是一个代表顶夸克存在的有力征兆:没有顶夸克的话,底夸克就没有伴侣。然而实验上一直都没有观测到顶夸克,直至1995年,终于被费米实验室的CDF   及DØ  小组观测到。它的质量比之前预料的要大得多—几乎跟金原子一样重。

夸克的电荷值为分数—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。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。

自旋是基本粒子的一种内禀特性,它的方向是一个重要的自由度。在图像化时,有时它会被视为一个沿着自己的中轴转动的物体(所以名叫“自旋”)。但是由于科学家们认为基本粒子应是点粒子,所以上述这个看法有一定的误导性。

自旋可以用矢量来代表,其长度可用约化普朗克常数ћ来量度。量度夸克时,在任何轴上量度自旋的矢量分量结果均为+ħ/2或−ħ/2,因此夸克是一种自旋1⁄2粒子。沿某一轴(惯例上为z轴)上的旋转分量,一般用上箭头↑来代表+1⁄2,下箭头↓来代表−1⁄2,然后在前加上味的符号。例如,一自旋为+1⁄2的上夸克可被写成u↑。

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。这种变味机制正是导致β衰变这种放射过程的原因:在β衰变中,一个中子(n)“分裂”成一个质子(p)、一个`电子(e)及一个反电子中微子(`νe)。在β衰变发生时,中子(udd)内的一个下夸克在释放一个虚W玻色子后,随即衰变成一个上夸克,于是中子就变成了质子(uud)。随后W玻色子衰变成一个电子及一个反电子中微子。

n

à

p

+

e-

+

e

β衰变,重子标记

udd

à

uud

+

e-

+

e

β衰变,夸克标记

β衰变及其逆过程“逆β过程”在医学上都有常规性的应用,例如正电子发射计算机断层扫描。这两个过程在高能实验中也有应用,例如中微子探测。

图2为六种夸克间弱相互作用的强度。线的“深浅”由CKM矩阵的元的大小决定。

尽管所有夸克的变味过程都一样,但是每一种夸克都偏向于变成跟自己同一代的另一夸克。所有变味的这种相对趋势,都是由一个数学表来描述,叫卡比博(Cabbibo)-小林(Kobayashi)-益川(Maskawa)矩阵(CKM矩阵)  。CKM矩阵内所有数值的大约大小如下  :

其中Vij代表一夸克味i变成夸克味j(反之亦然)的可能性。

轻子(图2β衰变中在W玻色子右边的粒子)也有一个等效的弱相互作用矩阵,叫庞蒂科夫(Pontecorvo)-牧(Maki)-  中川(Nakagawa)-坂田(Sakata)矩阵(PMNS矩阵)。PMNS矩阵及CKM矩阵合起来能够描述所有味变,但两者间的关系并不明朗。

夸克有一种叫“色荷”的性质。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。

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,它是由一种叫胶子的规范玻色子所传递的。下文中将对胶子做更详细的讨论。描述强相互作用的理论叫量子色动力学(QCD)。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;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:一个夸克带色荷ξ与一个带色荷−ξ的反夸克结合后形成色荷为零(或“白”色)的无色介子。跟基本光学的颜色叠加一样,把三个色荷互不相同的夸克或三个这样的反夸克组合在一起,就会同样地得到“白”的色荷,成为一个无色的重子或反重子。

在现代粒子物理学中,联系粒子相互作用的是一种叫规范对称的局域对称群(见规范场论)。色对称性SU(3)(一般简写成SU(3)c)是夸克色荷的规范对称群,也是描述量子色动力学的对称群  。物理学定律不受空间方向(如x、y及z)所限,即使坐标轴旋转到一个新方向定律依然不变。量子色动力学的物理也一样,不受三维色空间的方向影响。色空间的三个方向分别为蓝、红和绿。SU(3)c的色变与色空间的“旋转”相对应(数学上,色空间是复数空间)。每一种夸克味f下面都有三种小分类fB、fG和fR,对应三种夸克色--蓝、绿和红。它们形成一个三重态:一个有三个分量的量子场,并且在变换时遵从SU(3)c的基础表示。这个时候SU(3)c应是局部的。换句话说,就是容许变换随空间及时间而定。所以说,这个局部表示决定了强相互作用的性质,尤其是有八种载力的胶子这一点。

在提及夸克质量时,需要用到两个词:一个是“夸克质量”(对轻夸克也称为“流夸克质量”),即在电弱对称破缺后夸克获得的质量;另一个是“组份夸克质量”,它是夸克质量加上其周围胶子场强作用而形成的质量(对于轻夸克,它是流夸克质量加上胶子场强相互作用产生动力学对称破缺后获得的质量  。这两个质量的数值一般相差甚远。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。

标准模型假定所有基本粒子的质量都是来自希格斯(Higgs)机制的对称破缺  ,而这个机制跟在2013年被欧洲核子研究中心确定发现的希格斯玻色子有关系  。顶夸克有着很大的质量,一个顶夸克大约跟一个金原子核一样重(~173 GeV/c2)  ,而透过研究为什么顶夸克的质量那么大,物理学家希望能找到更多有关夸克及其他基本粒子的质量来源。

下表总结了六种夸克的主要性质。每种夸克味都有自己的一组味量子数(同位旋(I3)、粲数(C)、奇异数(S)、顶数(T)及底数(B′)),它们代表着夸克系统及强子的一些特性。因为重子由三个夸克组成,所以所有夸克的重子数(B)均为+1/3。反夸克的情况,其电荷(Q)及其它味量子数(B、I3、C、S、T及B′)都跟夸克的差一个正负号。质量和总角动量(J;相等于点粒子的自旋)不会因为反粒子而变号。

名称

符号

质量(MeV/c2)

J

B

Q

I3

C

S

T

B′

反粒子

u

1.7 –3.3

1/2

+1/3

+2/3

+1/2

0

0

0

0

反上

d

4.1 –5.8

1/2

+1/3

-1/3

-1/2

0

0

0

0

反下

c

1,270+70-90

1/2

+1/3

+2/3

+1

0

0

0

反粲

s

101+29-21

1/2

+1/3

-1/3

0

-1

0

0

反奇

t

172,000+900-1,300

1/2

+1/3

+2/3

0

0

+1

0

反顶

b

4,190+180-60

1/2

+1/3

-1/3

0

0

0

-1

反底

人们相信1995年发现的第六种“顶夸克”是最后一种夸克。它的发现令科学家得出有关夸克的完整图像,有助研究在宇宙大爆炸之初少于一秒之内宇宙如何演化,因为大爆炸最初产生的高热会产生顶夸克粒子。

研究显示,有些恒星在演化末期可能会变成“夸克星”。当星体抵受不住自身的万有引力不断收缩时,密度大增会把夸克挤出来,最终一个太阳大小的星体可能会萎缩到只有七、八公里那么大,但仍会发光。

夸克理论认为,夸克都是被囚禁在粒子内部的,不存在单独的夸克。一些人据此提出反对意见,认为夸克不是真实存在的。然而夸克理论做出的几乎所有预言都与实验测量符合的很好,因此大部分研究者相信夸克理论是正确的。

1997年,俄国物理学家戴阿科诺夫(D. Diakonov)等人预测,存在一种由五个夸克(pentaquark)组成的包含奇夸克的粒子,质量比氢原子大50%  。2001年,日本物理学家在SP环-8加速器上用伽马射线轰击一片塑料时,发现了五夸克粒子存在的证据  。随后得到了美国托马斯·杰裴逊国家加速器实验室  和莫斯科理论和实验物理研究所  的物理学家们的证实。这种五夸克粒子是由2个上夸克、2个下夸克和一个反奇异夸克组成的,它并不违背粒子物理的标准模型。这是第一次发现多于3个夸克组成的粒子。研究人员认为,这种粒子可能仅是“五夸克”粒子家族中第一个被发现的成员,还有可能存在由4个或6个夸克组成的粒子。尽管在这之后有其它的几个实验组宣称发现了pentaquark的证据。但是越来越多地高能的实验组及其数据中,包括使用轻子对撞器如德国 DESY 的 ZEUS 实验,以及日本 KEK 的 Belle 与美国 SLAC 的 BaBar 两大 B介子工厂实验、以及使用强子对撞器的美国费米实验室中的 CDF 与 DÆ实验,都没有观测到应该存在的证据。综合实验进展,含有奇夸克的五夸克态存在的可能性已经非常小。春天八号(Spring-8)计划再次提升其效能,获取更大量的实验数据,来进行统计上的确认。尽管含有奇夸克的五夸克态存在的可能性很低,但是最近LHCb合作组的分析表明含有一对正反粲夸克的五夸克态的存在性非常大  。

19世纪接近尾声的时候,玛丽·居里(Marie Curie)打开了原子的大门,证明原子不是物质的最小粒子  。很快科学家就发现了两种亚原子粒子:电子和质子。1932年,詹姆斯·查德威克(James Chadwick)发现了中子,这次科学家们又认为发现了最小粒子  。

20世纪30年代中期发明了粒子加速器从而有能力将带电带电粒子加速到及高能量进行碰撞。20世纪50年代,唐纳德·格拉泽(Donald Glaser)发明了“气泡室”,将亚原子粒子加速到接近光速,然后抛出这个充满氢气的低压气泡室。这些粒子碰撞到氢原子核后会产生出一群陌生的新粒子。这些粒子从碰撞点扩散时,都会留下一个极其微小的气泡,暴露了它们的踪迹。科学家无法看到粒子本身,却可以看到这些气泡的踪迹。通过气泡室图像,科学家可以估测每个粒子的大小、电荷、运动方向和速度,但是却无法确定它们的身份。到1958年,有近100个名字被用来鉴别和描述这些探测到的新粒子。

夸克的提出者之一默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)1929年09月15日出生于美国纽约的一个犹太家庭里。童年时就对科学有浓厚兴趣,14岁进入耶鲁大学,1948年获学士学位后转麻省理工学院,三年后获博士学位,年仅22岁。1951年盖尔曼到普林斯顿大学高等研究所工作。1953年到芝加哥大学当讲师。参加到以费米为核心的研究集体之中,1955年盖尔曼到加州理工学院当理论物理学副教授,年后升正教授,成为加州理工学院最年轻的终身教授。

夸克的另一位提出者是乔治·茨威格(George Zweig)生于俄罗斯莫斯科一犹太家庭,原本要在理查德·费曼的指导下成为粒子物理学家,但后来转往研究神经生物学。他在洛斯阿拉莫斯国家实验室及麻省理工学院任职科学研究员,但于2004年转投金融行业。

盖尔曼认为,如果应用关于自然的几种基本概念,就可能会弄清楚当时发现的百余种粒子。他先假定自然是简单、对称的。他还假定像所有其它自然界中的物质和力一样,这些亚原子粒子是守恒的(即质量、能量和电荷在碰撞中没有丢失,而是保存了下来)。用这些理论作指导,盖尔曼开始对原子核分裂时的反应进行分类和简化处理。他创造了一种新的测量方法,称为“奇异性(strangeness)”。这个词是他从量子物理学引入的。奇异性可以测量到每个粒子的量子态。他还假设奇异性在每次反应中都被保存了下来。

盖尔曼发现自己可以建立起原子核分裂或者合成的简单反应模式。但是有几个模式似乎并不遵循守恒定律。之后他意识到如果质子和中子不是基本物质,而是由3个更小的粒子构成,那么他就可以使所有的碰撞反应都遵循简单的守恒定律了。

经过两年的努力,盖尔曼证明了这些更小的粒子肯定存在于质子和中子中。他将之命名为“k-works”,后来缩写为“kworks”。之后不久,他在詹姆斯·乔伊斯(James Joyce)的作品中读到一句“三声夸克(three quarks)”,于是将这种新粒子更名为夸克(quark)。

美国麻省理工学院(MIT)的杰罗姆·弗里德曼(Jerome Friedman)、亨利·肯德尔(Henry kendall)和斯坦福直线加速器中心(SLAC)的理查德·泰勒(Richard Taylor),因1967年至1973年期间在斯坦福(Stanford)利用当时最先进的二公里电子直线加速器就电子对质子和中子的深度非弹性散射所做的一系列开创性的实验工作而荣获1990年诺贝尔物理奖。这说明,人们在科学上最终承认了夸克的存在。

斯坦福直线加速器中心所做的实验与卢瑟福(E·Rutherford)所做的验证原子核式模型的实验类似。正像卢瑟福由于大量α粒子的大角度散射现象的观察,预言原子中有核存在一样,斯坦福直线加速器中心由前所未料的大量电子的大角度散射现象,证实核子结构中有点状组分。

尽管盖尔曼和茨威格从理论上预言了夸克的存在,但是在斯坦福直线加速器中心—麻省理工学院合作组所做的实验之前,没有人能拿出令人信服的动力学实验来证实这点。事实上,在那段时期理论学家对强子理论中夸克所扮演的角色还不清楚。正如乔尔斯考格(C·Jarlskog)在诺贝尔颁奖仪式上向瑞典国王介绍获奖者时所说的那样,“夸克假说不是当时唯一的假说。例如有一个叫‘核民主’的模型,认为没有任何粒子可以被叫做基本单元,所有粒子是同等基本的,是相互构成的。”

1962年斯坦福开始建造大的直线加速器,它的能量为10—20GeV,经过一系列改进后,能量可达到50GeV。两年后,斯坦福直线加速器中心主任潘诺夫斯基(W·Panofsky)得到几个年轻物理学家的支持,这些人在他担任斯坦福高能物理实验室主任时和他共过事,泰勒就是其中一员,并担任了一个实验小组的领导。不久弗里德曼和肯德尔也加入进来,他俩那时是麻省理工学院的教师,他们一直在5GeV的剑桥电子加速器上做电子散射实验,这个加速器是一个回旋加速器,它的容量有限.但是在斯坦福将有20GeV的加速器,它可以产生“绝对强”的射线束、高的电流密度和外部射线束。加利福尼亚理工学院的一个小组也加入合作,他们的主要工作是比较电子——质子散射和正电子——质子散射。这样,来自斯坦福直线加速器中心、麻省理工学院和加州理工学院的科学家组成了一支庞大的研究队伍(这支队伍称作A组)。他们决定建造两个能谱仪,一个是8GeV的大接受度能谱仪,另一个是20GeV的小接受度能谱仪。新设计的能谱仪和早期的能谱仪不同的地方是它们在水平方向用了直线一点聚焦,而不是旧设备的逐点聚焦。这种新设计能够让散射角在水平方向散开,而动量在垂直方向散开。动量的测量可以达到0.1%,散射角的精度可以达到0.3毫弧度。

在那时,物理学的主流认为质子没有点状结构,所以他们预料散射截面将随着q的增加迅速减小(q是传递给核子的四维动量)。换句话说,他们预想大角度散射将会很少,而实验结果出乎意料的大。在实验中,他们使用了各种理论假设来估算计数率,这些假设中没有一个包括组元粒子。其中一个假设使用了弹性散射中观察到的结构函数,但实验结果和理论计算相差1到2个数量级。这是一个惊人的发现,人们不知道它意味着什么。世界上没有人(包括夸克的发明人和整个理论界)能具体而确切地说:“你们去找夸克,我相信它们在核子里。”在这种情况下,斯坦福直线加速器中心的理论家比约肯(Bjorken)提出了标定无关性的思想。当他还是斯坦福的研究生时,就和汉德(L. Hand)一起完成了非弹性散射运动学的研究.当比约肯1965年2月回到斯坦福时,由于环境的影响,自然又做起有关电子的课题。他记起1961年在斯坦福学术报告会上听斯格夫(L. Schiff)说过,非弹性散射是研究质子中瞬时电荷分布的方法,这个理论说明了电子非弹性散射怎样给出原子核中质子和中子的动量分布。当时,盖尔曼把流代数引进场论,抛弃了场论中的某些错误而保持了流代数的对易关系。阿德勒(S. Adler)用定域流代数导出了中微子反应的求和规则。比约肯花了两年时间用流代数研究高能电子和中微子散射,以便算出结构函数对整个求和规则的积分,并找出结构函数的形状和大小。结构函数W1和W2一般来说是两个变量的函数.这两个变量是四维动量转移的平方q和能量转移v,比约肯则认为,结构函数W2仅仅依赖于这些变量的无因次比率ω=2Mv/q(M表示质子质量),即vW2=F(ω),这就是比约肯标度无关性。在得出标度无关性时,他用了许多并行的方法,其中最具有思辩性的是点状结构。流代数的求和规则暗示了点状结构,但并不是非要求点状结构不可。然而比约肯根据这种暗示,结合雷吉极点等其它一些使求和规则收敛的强相互作用概念,自然地得出了结构函数标定无关性  。

标定无关性提出后,很多人不相信。正如弗里德曼所说:“这些观点提出来了,我们并不完全确认。他是一个年轻人,我们感到他的想法是惊人的。我们预料看不到点状结构,他说的只是一大堆废话。”1967年末和1968年初,关于深度非弹性散射的实验数据已开始积累。当肯德尔把崭新的数据分析拿给比约肯看了以后,比约肯建议用标度无关变量ω来分析这些数据。按照旧方法描出的图,肯德尔说:“数据很散,就象鸡的爪印一样布满坐标纸。按比约肯的方法(W2对ω)处理数据时,它们就用一种强有力的方式集中起来  。我记起当时巴尔末发现他的经验关系时的感受——氢光谱的波长被绝对精确的拟合。”1968年8月,在第十四届国际高能物理会上弗里德曼报告了第一个结果,潘诺夫斯基作为大会的领导很犹豫地提出了核子点状结构的可能性。

当从20GeV的能谱仪收集到6°和10°散射的数据后,A组就着手用8GeV能谱仪做18°、26°和34°的散射。根据这些数据发现第二个结构函数W1也是单一变量ω的函数,也就是说遵守比约肯标度无关性  。所有这些分析结果,直到今天仍然是正确的,即使经过更精确的辐射修正,其结果的差异也不大于1%。从1970年开始,实验者们用中子作了类似的散射实验,在这些实验中,他们交替用氢(质子)和氘(中子)各做一个小时的测量以减小系统误差。

早在1968年,加州理工学院的费曼已经想到强子是由更小的“部分子”组成的。同年8月他访问斯坦福直线加速器中心时,看到了非弹性散射的数据和比约肯标度无关性。费曼认为部分子在高能相对论核子中是近似自由分布的,也就是说结构函数与部分子的动量分布是相关的。这是一个简单的动力学模型,又是比约肯观点的另一种说法。费曼的工作大大刺激了理论工作,几种新的理论出现了。在凯兰(C. Gllan)和格罗斯(D. Gross)得出W1和W2的比率R和部分子自旋紧密相关后,斯坦福直线加速器中心—麻省理工学院的实验数据以及费曼对夸克的要求,从而淘汰了其它的假设。中子的数据分析清楚地显示出中子产额不同于质子产额,这也进一步否定了其它的理论假设。

一年以后,在欧洲核子研究中心的重液泡室做的中微子非弹性散射,对斯坦福直线加速器中心的实验结果做了有力的扩展。后来的μ子深度非弹性散射、电子—正电子碰撞、质子—反质子碰撞、强子喷注都显示了夸克—夸克相互作用。所有这些都强有力地证明了强子的夸克结构。

物理学界接受夸克用了好几年的时间,这主要是由于夸克的点状结构与它们在强子中的强约束的矛盾。正像乔尔斯考格在诺贝尔颁奖仪式上所说的那样,夸克理论不能完全唯一地解释实验结果,获得诺贝尔奖的实验表明质子还包含有电中性的结构,不久发现这就是“胶子”。在质子和其它粒子中胶子把夸克胶合在一起。1973年格罗斯、威耳茨克(F. Wilczek)和鲍里泽尔(H.D. Politzer)独立地发现了非阿贝尔规范场的渐近自由理论[25,26]。这种理论认为,如果夸克之间的相互作用是由色规范胶子引起的,夸克之间的耦合在短距离内呈对数减弱。这个理论(后来被叫做量子色动力学)很容易地解释了斯坦福直线加速器中心的所有实验结果。另外,渐近自由的反面,远距离耦合强度的增加(叫红外奴役)说明了夸克禁闭的机制。夸克之父,盖尔曼1972年在第十六届国际高能物理会议上说:“理论上并不要求夸克在实验室中是真正可测的,在这一点上象磁单极子那样,它们可以在想象中存在.”总之,斯坦福直线加速器中心的电子非弹性散射实验显示了夸克的点状行为,它是量子色动力学的实验基础。

1967年温伯格(Steven Weinberg)和萨拉姆(Abdus Salam)分别独立地得到了弱电统一的规范理论    。1970年为把夸克弱相互作用引入该模型,格拉肖等人改进了由卡比伯所引入的在经典四费米弱作用中使用的方法引入了粲夸克,  并在1974年被证实需要引入  。1973年日本物理学家小林诚和益川敏英为解释弱作用中时间反演的破坏引入了第三代夸克  ,并被实验证实,获得了2008年的诺贝尔物理学奖。 

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