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強子
本詞條是多義詞，共2個義項
粒子物理學(xué)中和量子力學(xué)的概念
基本信息
| 中文名 | 強子 |
| 外文名 | Hadron |
| 釋義 | |
| 類型 | 亞原子粒子 |
分類
構(gòu)成
強子的構(gòu)成是粒子物理的基本問題之一
在樸素夸克模型中，強子由
（介子）和
（重子）構(gòu)成。但是這種簡單的構(gòu)成正受到來自實驗的嚴峻挑戰(zhàn)。無論是越來越多的無法歸類的強子態(tài)，還是具有無法為樸素夸克模型所容許量子數(shù)的介子的發(fā)現(xiàn)，都暗示有超越樸素夸克模型構(gòu)成的新強子存在。膠球、多夸克態(tài)和混雜子是三種可能的新強子構(gòu)造，它們分別是膠子、多夸克以及夸克與膠子的束縛態(tài)。本文將研究這些新強子的性質(zhì)。首先是所采用的研究方法的介紹，由于我們采用QCD求和規(guī)則作為我們的主要理論框架，因此對于瞬子物理我們主要采用一種易于使用到QCD求和規(guī)則框架內(nèi)的半唯象方法，即單瞬子近似。
對于某些特定新強子性質(zhì)的研究。在考慮了直接的瞬子效應(yīng)后，我們在QCD求和規(guī)則的框架內(nèi)研究了 膠球的質(zhì)量問題。結(jié)果顯示在考慮了瞬子效應(yīng)后，膠球的質(zhì)量被大大降低。之后我們考慮瞬子效應(yīng)在標量膠球衰變中的作用。我們發(fā)現(xiàn)由于非微擾效應(yīng)，標量膠球衰變過程中 對稱性是被很好保持的。我們也考慮了標量膠球的四夸克衰變與兩夸克衰變寬度之比。與普通介子衰變相比，我們預(yù)言標量膠球衰變會有較大的多強子末態(tài)分支比。首先構(gòu)造了兩個典型的 分子四夸克態(tài)，利用考慮瞬子效應(yīng)修正后的QCD求和規(guī)則研究它們的質(zhì)量問題。我們發(fā)現(xiàn)我們的模型可以在1.4GeV附近容納兩個不同的 四夸克介子。接著構(gòu)造具有Diquark結(jié)構(gòu)和分子態(tài)結(jié)構(gòu)的四夸克態(tài)，并研究了它們的衰變方式。在已有的 和 混雜子質(zhì)量的求和規(guī)則中考慮直接的瞬子效應(yīng)，研究瞬子在其中所起的作用，并給出較穩(wěn)定的 膠球的質(zhì)量預(yù)言。
1964 年，美國科學(xué)家蓋爾曼等人提出“夸克模型”。他們認為，所有的強子都是由若干種叫做“夸克”的更深層次的粒子組成。西方人將這些粒子稱為“夸克”，中國人則常常又稱它們?yōu)椤?/span>層子”。顧名思義，層子是相對電子、質(zhì)子、中子這些基本粒子來說的，它屬于“下一層次的粒子”。蓋爾曼等人認為夸克帶“分數(shù)電荷”，它們被禁閉在強子內(nèi)部，不能脫離強子自由運動。
夸克是物質(zhì)分割的極限
因為夸克被禁閉在強子內(nèi)部，本身也無法直接觀察。然而，對大自然的好奇心，促使人們對夸克是否還有“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”這個問題產(chǎn)生濃厚的興趣。目前的跡象表明，夸克和輕子可能是由某些更為基本的粒子所組成，夸克和輕子之間具有極大的對稱性。根據(jù)目前的理論，夸克可分為三代，每代有兩種（不計反夸克），它們分別是（u,d）、（s, c）和（t,b）。輕子也有三代，每代也有兩種。如此多的粒子表明，即便夸克和輕子，也不可能是物質(zhì)分割的“最小單元”。
但是從1964 年至今，人們還沒有“看到”過夸克的真實面目。在蓋爾曼提出的夸克理論中，他假設(shè)存在三種夸克。他用這三種夸克及它們的反粒子來說明微觀粒子構(gòu)成的模型，取得了很大的成功。但是，由于物理學(xué)家至今還不能使夸克脫離其他微觀粒子而獨立存在，它只能像犯了錯誤而被關(guān)禁閉的士兵那樣，被幽禁在微觀粒子中。所以，“夸克禁閉”成了當今粒子物理學(xué)的難題之一，這對哲學(xué)中關(guān)于物質(zhì)無限可分的觀點，也是一次嚴峻的挑戰(zhàn)。
近半個世紀以來，物理學(xué)家為了尋找自由夸克，絞盡了腦汁。每當一臺新的高能加速器建成以后，首要的任務(wù)之一就是試圖找到夸克。有的物理學(xué)家把微觀粒子想成一只口袋，夸克永遠被裹在這只口袋里——在這口袋的小范圍內(nèi)，它可以自由飛翔，但決不許脫離這個口袋。就是這個神秘的口袋，似乎要把夸克同外界永遠隔離開來。也有的物理學(xué)家把微觀設(shè)想成一口半徑很小又很深的“井”，夸克過的就是這種“坐‘井’觀天”的生活。在“井”里它們都相當自由，運動速度也不快，可就是跑不出去。人們必須提供極大的能量，才能把它從“井”底拉出來。但是目前人們還沒有辦法產(chǎn)生這么大的能量，使夸克獲得“解放”。
既然不能直接找到自由夸克，一些物理學(xué)家就改變了策略，企圖間接地搜尋它。因為根據(jù)理論推測，夸克帶有所謂的“分數(shù)電荷”，這使物理學(xué)家看到了一線希望。他們認為只要找到了“分數(shù)電荷”的攜帶者，那也許它就是夸克的化身了。因此物理學(xué)家在粒子加速器、隕石、月球、地下深井和海底等許多地方“張羅織網(wǎng)”，到處尋找具有“分數(shù)電荷”的粒子。
目前探測夸克結(jié)構(gòu)和輕子結(jié)構(gòu)的實驗都在進行中，但未取得進展。考慮到原子和原子核的線度相差10 萬倍，因而可以預(yù)言夸克的結(jié)構(gòu)最多只能在10米的尺度上顯示出來；但目前的實驗只能探測到10米的線度，因而夸克究竟是否有“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”，至今還是一個謎。
層子模型
強子結(jié)構(gòu)的層子模型
是在1965年9月到1966年6月之間完成的。當時的研究背景是這樣的：在電子、質(zhì)子、中子發(fā)現(xiàn)之后，人們普遍認為它們是構(gòu)成物質(zhì)的終極單元，稱之為“基本粒子”。隨著介子和超子在20世紀40到50年代的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，基本粒子的家族迅速擴大，這些粒子絕大部分是強作用粒子，簡稱強子。很難想像這么多的強子都是基本粒子。1955年日本物理學(xué)家坂田提出了一個結(jié)構(gòu)模型：強子中只有質(zhì)子、中子和超子三種是基礎(chǔ)的粒子，由它們構(gòu)成其他所有的強子。坂田模型存在一系列困難，但是所提出的強子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的思想是正確的。1964年美國物理學(xué)家蓋爾曼改造了坂田模型，提出了“夸克模型”，認為強子是由三種具有SU(3)對稱性的組分構(gòu)成的，他把這些組分稱為夸克。
到了1965年，基本粒子表中粒子的數(shù)目已經(jīng)可以與周期表中元素的數(shù)目相比，其中重子的自旋可以高達
，并且實驗上關(guān)于核子的電磁形狀因子的測量說明以前被認為是基本粒子的核子具有一定的大小和空間結(jié)構(gòu)。這些事實說明了兩點，一是“基本粒子”并不基本，二是強子有著內(nèi)部結(jié)構(gòu)。坂田模型和夸克模型都是關(guān)于強子結(jié)構(gòu)的科學(xué)設(shè)想，有待于進一步發(fā)展為強子結(jié)構(gòu)的科學(xué)理論。但是在當時發(fā)展強子結(jié)構(gòu)的理論有困難，因為不知道在強子內(nèi)部是否有新的力學(xué)規(guī)律在起作用，不知道強相互作用的具體形式，不知道處理強相互作用的數(shù)學(xué)方法，所以在結(jié)構(gòu)模型中還只限于討論由對稱性能夠得出的強子分類、新粒子預(yù)言和諸如質(zhì)量、自旋、電荷、磁矩等靜態(tài)性質(zhì)。進一步的發(fā)展必須超出對稱性的范疇，引入動力學(xué)起作用的因素。
在當時已知的最高能量下，物理實驗結(jié)果表明量子數(shù)、本征值、幾率波這些概念仍然有效，也就是說在強子內(nèi)部的小尺度范圍中，用波函數(shù)描述狀態(tài)、用算符描述物理量的基本概念和方法仍然有效。于是他提出引入強子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)波函數(shù)來描述強子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，至于決定波函數(shù)的力學(xué)規(guī)律和運動方程等則留待以后去討論，一些嚴格的物理要求如相對論洛倫茲協(xié)變性和內(nèi)部對稱性等已經(jīng)大大限制了波函數(shù)可能具有的形式。強子的組成及遵從的對稱性是否取夸克模型或坂田模型的其他變種，所以后來按錢三強的建議把強子的組分粒子稱為“層子”，表示物質(zhì)結(jié)構(gòu)許多層次中的一個層次的意思。在引入波函數(shù)以描述運動著的強子時，他認為應(yīng)當區(qū)分描述內(nèi)部運動和整體運動的兩個概念。通過對已知實驗數(shù)據(jù)的分析，他提出層子在強子內(nèi)部的運動速度遠小于光速，是非相對論性的，雖然強子的整體運動可以是相對論性的。
這樣，可以在強子的靜止坐標系中定出非相對論性的結(jié)構(gòu)波函數(shù)，然后通過洛倫茲變換得到作自由運動的強子的波函數(shù)。在討論強子發(fā)生轉(zhuǎn)化的過程時，朱洪元引入始態(tài)和終態(tài)強子結(jié)構(gòu)波函數(shù)的重疊積分的概念和具有特定的對稱性的強子構(gòu)成組分（層子之間的相互作用來計算躍遷矩陣元，用以統(tǒng)一地描述一系列強子的轉(zhuǎn)化過程。在這些概念和方法的基礎(chǔ)上，由錢三強大力支持，朱洪元領(lǐng)導(dǎo)的粒子理論研究集體系統(tǒng)地研究了強子的力學(xué)、電磁及幾何等靜態(tài)性質(zhì)，以及強子的電磁衰變、弱衰變、強衰變等動態(tài)過程。在九個月里，他們發(fā)表了46篇科學(xué)論文，得到了一系列理論結(jié)果，其中許多和實驗結(jié)果相符合。有一些當時沒有實驗數(shù)據(jù)，在后來才得到實驗的證實。也有一些理論結(jié)果與實驗不合，有待后來的實驗和理論工作的新進展來解決。
“層子模型”是強子結(jié)構(gòu)研究的一個重要開拓，它是在層子之間的動力學(xué)理論提出來之前的一個方向性的系統(tǒng)工作。這個理論中提出的強子內(nèi)部結(jié)構(gòu)波函數(shù)和波函數(shù)的重疊積分的概念沿用至今，隨著層子間強相互作用的動力學(xué)理論的建立，它們越來越細致地被確定下來。在1966年北京亞太科學(xué)討論會上，巴基斯坦諾貝爾物理學(xué)得主薩拉姆高度評價了這項工作。很可惜，朱洪元和中國粒子物理學(xué)家在理論上一個很好的開頭被隨后十年的大破壞所打斷。
相關(guān)觀點
核子（強子）是夸克、膠子的束縛態(tài)，由量子色動力學(xué)QCD描述。由于QCD的基本特性（高能標度下的漸近自由、低能標度下色禁閉及動力學(xué)手征對稱性破缺），對核子（強子）結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的QCD圖象是標度相關(guān)的，在高能標度下描述強子的是與探測強子結(jié)構(gòu)的硬過程相聯(lián)系的QCD部分子模型，強子的夸克、膠子結(jié)構(gòu)信息通過QCD部分求和規(guī)則得到，QCD微擾論是適用的理論，在低能標度時，必須發(fā)展QCD非微擾途徑來描述核子（強子）。
雖然夸克模型當時取得了許多成功，但也遇到了一些麻煩，如重子的夸克結(jié)構(gòu)理論認為，像
和
這樣的重子可以由三個相同夸克組成，且都處于基態(tài)，自旋方向相同，這種在同一能級上存在有三個全同粒子的現(xiàn)象是違反泡利不相容原理的。泡利不相容原理說的是兩個費米子是不能處于相同的狀態(tài)中的。
夸克的自旋為半整數(shù)，是費米子，當然是不能違反泡利原理的。但物理學(xué)家自有辦法，你不是說三個夸克全同嗎？那我給它們來個編號或著上“顏色”（紅、黃、藍），那三個夸克不就不全同了，從而不再違反泡利原理了。的確，在1964年，格林伯格引入了夸克的這一種自由度——“顏色”的概念。當然這里的“顏色”并不是視覺感受到的顏色，它是一種新引入的自由度的代名詞，與電子帶電荷相類似，夸克帶顏色荷。這樣一來，每味夸克就有三種顏色，夸克的種類一下子由原來的6種擴展到18種，再加上它們的反粒子，那么自然界一共有36種夸克，它們和輕子（如電子、μ子、τ子及其相應(yīng)的中微子）、規(guī)范粒子（如光子、三個傳遞控制夸克輕子衰變的弱相互作用的中間玻色子、八個傳遞強（色）相互作用的膠子）一起組成了大千世界。夸克具有顏色自由度的 理論得到了不少實驗的支持，在70年代發(fā)展成為強相互作用的重要理論——量子色動力學(xué)。
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒寫！
作者
