夸克
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夸克
张建飞 李天一 徐晴雯 中国江苏南京 211189 东南大学 吴健雄学院 610111 班
【摘要】
在粒子物理学中， 标准模型是一套描述强相互作用力， 弱相互作用力及电磁力这三种基 本力及组成所有物质的基本粒子的理论。 在标准模型中， 夸克及其相关理论扮演了重要的角 色。在双语物理课程的启发和指导下，我们小组对夸克物质及其理论进行了研究性学习。论 文主要分为三个部分， 首先介绍了夸克方面的一些基本理论， 其次为物理界关于夸克的一些 研究发现，最后介绍了小组对此课题的想法和展望。
四、我们的大胆思考与展望
对夸克的研究有什么实际意义？也许目前我们并不能列出太多实际成果来回答这一问 题，但我们相信，这一领域的研究必将为人类的生活带来巨大变化。下面是我们对夸克的实 际应用的大胆想象。 1，作为新能源 自从发现原子核是由中子和质子组成后， 人类就开始利用核反应提供巨大的能源。 而现 在我们知道，质子和中子又是由夸克构成的，那夸克必然对核反应有着内在的影响，这也许 能为我们更好的调控核反应提供新的途径，使人类更加安全地使用核能。或者，更进一步， 直接利用夸克提供能源。通过和核反应的类比，我们设想有以下三种方式：一、通过某种方 法打开夸克间的强相互作用，使其部分质量转换为能量；二、如同核聚变一样，夸克、胶子 结合成强子的过程必将产生巨大的能量， 也可以利用夸克和反夸克的相遇湮灭， 从而放出巨 大能量的过程供能，但前提是我们必须以某种廉价的方式得到自由的夸克和胶子。三、自然 状态下的核衰变也是一种核反应，只不过由于其进行缓慢，因而能量释放并不明显，但夸克 的衰变是迅速的，质量大的夸克会很容易的迅速衰变成质量更小的夸克，从而释放能量。 2，制造新材料 当今，纳米材料正迅猛发展并得到越来越广泛的应用。随着夸克理论的发展，也许终有 一天，会出现“夸克材料” ，由于夸克本身一些不同寻常的性质，这一材料必将具有更加奇 特的特性，从而推动生物、化学、计算机等众多领域的发展，例如作为光导元件以加快运算 速度和信息储存量（制造更强大、先进的计算机） 。
【关键词】
色禁闭 渐进自由 CP 破坏 夸克-胶子体
一、引言
组成物质的基本粒子一直是物理界探究的问题，从原子到质子、电子，再到中子，再到 如今的夸克。 随着科学家们对微观世界的探究一步步的深入， 微观世界的神奇和复杂也逐渐 展现。我们已经知道，质子和中子是由更基本的粒子——夸克组成的，但，它彼此结合形成 其他粒子时遵循怎样的机制？夸克之间如何相互作用？研究夸克的意义又是什么？
1/2
在量子色动力学中，夸克除了具有“味”的特性外，每种夸克还分为三种“色” ，分别 为红、绿、蓝，这里借“色”这一词形象地比喻夸克本身的一种物理属性。因此计入 6 种味 和 3 种色的属性，共有 18 种夸克，另有它们对应的 18 种反夸克。 2，夸克幽禁和渐进自由 量子色动力学中有一套色禁闭理论， 即认为一切物质都是没有 “色” 的。 根据这一理论， 组成重子的 3 个夸克具有不同的色， 彼此结合形成无色的粒子， 这可以类比为光的三原色原 理。因此，强子内的夸克通过强相互作用紧紧束缚在一起，并用色荷当作这一作用的指标。 在这里，我们简单介绍一下夸克之间的强相互作用。在标准模型中，用费米子描述组成
参考文献
[1] Steven W. 《The Making of the Standard Model》 2003 年
[2] 高涌泉 《2004 年诺贝尔物理学奖介绍—渐进自由》 [3]黄涛 《量子色动力学引论》 北京大学出版社 [4]黄伟彦 《从夸克到黑洞》 台湾大学物理系 [5] http://particleadventure.org/
物质的粒子，玻色子指代传递各种力的粒子。当具体到夸克间的强相互作用时，费米子即指 夸克， 而夸克之间通过一种玻色子——胶子实现强相互作用， 这就如同电磁作用通过传递光 子实现一样，但另一方面，光子之间互相孤立，而由于胶子也带色荷，它们之间也有强相互 作用，从而使夸克间的作用机制比电磁作用复杂的多。 由于夸克幽禁现象， 人们至今尚未直接观察到自由的夸克， 但又是如何证实夸克的存在 的呢？20 世纪六十年代末， 弗里德曼等科学家在 SLAC 做了著名的核子深度非弹性散射实验， 用高能电子轰击质子，然后观察散射出来的粒子。实验结果表明，质子和中子中存在自由的 点状结构，从而证实了夸克的存在。 但是，这又引出另一个疑问，夸克之间通过强相互作用互相作用，那应该紧密靠在一起 存在于核子内， 但实验结果却为何显示其处于自由状态？我们称夸克近距离时的这一反常现 象为渐进自由。 简单的说，我们定义一个跑动耦合函数 α s （r）=2π （β0 ln （ r r0 )）, 夸克间的耦合强度随着距离 r 的变化而变化。对于一般的耦合，如电磁耦合，β0 的值大 于零， 距离越近， 耦合强度越强。 但唯独在杨—密尔斯场中， 原点附近的贝他函数值小于零， 从而导致距离越近， 耦合越弱， 夸克也就越自由。 对特定理论的贝他函数的计算是很困难的， 但我们可以从另一个角度理解这一反常结果：一般的理论（例如电动力学）中有屏蔽效应， 所以越靠近（电）荷，所量到（电）荷就会越大。反过来说，如果要有渐进自由，我们就得 要有反屏蔽效应， 可从磁性——而非电性的角度来看， 屏蔽和反屏蔽效应就分别等同于抗磁 性和顺磁性。 从基础物理可知带自旋又带荷的粒子可以导致顺磁性， 而杨——密尔斯粒子又 恰好带自旋又带荷，所以包含杨——密尔斯粒子的系统很自然地就可能具有顺磁性。 3，夸克与 CP 破坏 CP 破坏的发现为粒子物理学和宇宙学的核心问题打开了大门。CP 对称性是指同时做空 间反演以及粒子和反粒子互换，早在 1964 年，詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇就发现了中性 K 介子及其反粒子参与的弱相互作用破坏了 CP 对称性， 他们也因此获得了 1980 年度诺贝尔 物理学奖。因 CPT 是守恒的，T 是时间反演，CP 的不守恒意味着 T 也不守恒了。在量子场论 中， 时间反演指将一个粒子反演成其反粒子的过程。 中性 K 介子可以通过下图所示过程变成 其反粒子（中性 K 介子由一个奇异夸克和一个反下夸克构成） ，其时间反演的过程就是反中 性 K 介子变成中性 K 介子。这两个过程都会发生，但发生的几率不同，所以 CP 对称被破坏 了。从图中可以看出，多种夸克参与了这个过程。
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，在高能物理中也有应用，例如中微子探测。 2，夸克—胶子等离子体 夸克—胶子等离子体(QGP)是一种量子色动力学下的相态，所处环境为极高温和极高密 度。普通物质里，夸克是呈现色约束的；在 QGP，夸克则不受约束，而是更大一团的夸克与 胶子混合体。 在实验室中可以通过撞击两个大型原子核达到如此高的能量从而生成夸克和胶 子的这种混合态。 对于 QGP 的研究有助于了解极高温度下基本粒子的行为， 这对于了解早期 宇宙的演化（QGP 被认为存在于大爆炸宇宙诞生后的最初 20 或 30 微秒）非常重要。虽然看 上去距离实际生活非常遥远， 但是这对于研发新一代的宇宙探测器威尔金森微波各向异性探 测器及其后继者是非常关键的研究。 3，奇特的“五夸克态” 至今，人们已经发现和确立了几十个重子态，例如最轻的重子—核子，它们都可以归为 三夸克态，即由三个夸克组成。1997 年俄国物理学家预言存在一个电荷、自旋、宇称和质 子相同， 质量比质子重 60%的粒子。 这个粒子的夸克成分最少为suudd， 故称为 “五夸克态” 。 直到 2003 年，日本的一个实验组宣布在实验中发现了质量和宽度与这个理论预言完全一致 的一个新粒子θ+（1540） ，相继国际上有十多个实验组也宣布观察到了这个“五夸克态”存 在的迹象，多种“五夸克态”模型也不断被提出。 但好景不长，通过对得到此结果实验的不断重复，更大比重的实验结果否定了“五夸克 态”的存在，正当此时，一项新的实验发现质子中似乎存在ss 型的夸克成分，这无疑为“五 夸克态“的研究打开了另一扇门。
符号 u d c s t b 中文名称 上夸克 下夸克 粲(魅)夸克 奇夸克 顶夸克 底夸克 英文名称 up down charm strange top bottom 电荷（e） +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 质量（Gev/c^2） 0.004 0.008 1.5 0.15 176 4.7 自旋
源自文库
K 0 内的奇夸克变成下夸克，同时放射 出两个相反电荷的 W 玻色子， K 0 内的反下夸克则 通过吸收 W 玻色子变成奇夸克。
继而更多 CP 破坏的实例被发现，例如 B 介子和反 B 介子衰变过程中的 CP 破坏。CP 破 坏对解释今天宇宙中物质的数量远远超过反物质的数量有重要意义（假如 CP 对称，物质与 反物质应完全抵消，将导致一个没有物质，只有光子的宇宙） 。但这种对称的破坏是如何起
五、结语
简单的说，标准模型即是关于六种夸克，六种轻子的一套前沿理论，但它尚有很多问题 未解决： 我们尚未清楚了解色禁闭的本质？强子内的夸克和胶子究竟是怎样分布和相互作用 的？“小林—益川”理论中所提出的 CKM 矩阵所包含的 CP 破坏仍然很弱，不足以解释宇宙 初期的重子数生成；无法解释某些“夸克奇特态” · · · · · ·而且，对于顶夸克和夸克—胶子体 的研究尚处于初始阶段。随着这些研究的深入，我们期待比标准模型更完备，更统一的新物 理的建立。
源的呢？对此，小林诚和益川两人提出来著名的小林-益川理论，小林—益川理论描述了顶 夸克和底夸克之间通过 W 粒子弱相互作用的耦合强度，它将卡比博矩阵推广到三代夸克， 揭示了弱相互作用中 CP 破坏的起源问题，简单的说，即他们认为这一特定的 CP 破坏是由 于正反夸克的衰变反应速率不同造成的。 这一理论成功预言了另三种夸克的存在， 得到了基 本粒子物理学家的普遍认可。他们也因此获得 08 年的诺贝尔物理学奖。
三、夸克的研究与应用
1,夸克的转变及其应用 夸克只能通过弱相互作用由一种味变成另一种味， 前面所介绍的中性 K 介子的振荡过程 中已经体现了不同夸克间的转变。任何上型的夸克（上、桀及顶夸克） ，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，一中子（n） “分裂”成一质子（p） 、一电子（e） 及一反电子中微子（ve） 。在β衰变发生时，中子（udd）内的一下夸克在释放一虚 W 玻色子 后，随即衰变成一上夸克，于是中子就变成了质子（uud） 。随后 W 玻色子衰变成一电子及一 反电子中微子。 n udd → → p uud + + ee+ + νe νe （β 衰变，重子标记） （β 衰变，夸克标记）
《物理学月刊》 2005 年 2 月
二、夸克理论
1，夸克模型 1964 年，美国科学家盖尔曼首先提出了关于强子结构的夸克模型。强子是粒子分类系 统中的一个概念，包括重子和介子，质子、中子都属于重子，他提出，所有强子是由夸克组 成的，如质子和中子都由 3 个夸克构成。经过几十年不断的研究，物理界基本已经承认六种 夸克的存在，即夸克有六种味。下表一一列出了这六味夸克及其一些性质。
张建飞 李天一 徐晴雯 中国江苏南京 211189 东南大学 吴健雄学院 610111 班
【摘要】
在粒子物理学中， 标准模型是一套描述强相互作用力， 弱相互作用力及电磁力这三种基 本力及组成所有物质的基本粒子的理论。 在标准模型中， 夸克及其相关理论扮演了重要的角 色。在双语物理课程的启发和指导下，我们小组对夸克物质及其理论进行了研究性学习。论 文主要分为三个部分， 首先介绍了夸克方面的一些基本理论， 其次为物理界关于夸克的一些 研究发现，最后介绍了小组对此课题的想法和展望。
四、我们的大胆思考与展望
对夸克的研究有什么实际意义？也许目前我们并不能列出太多实际成果来回答这一问 题，但我们相信，这一领域的研究必将为人类的生活带来巨大变化。下面是我们对夸克的实 际应用的大胆想象。 1，作为新能源 自从发现原子核是由中子和质子组成后， 人类就开始利用核反应提供巨大的能源。 而现 在我们知道，质子和中子又是由夸克构成的，那夸克必然对核反应有着内在的影响，这也许 能为我们更好的调控核反应提供新的途径，使人类更加安全地使用核能。或者，更进一步， 直接利用夸克提供能源。通过和核反应的类比，我们设想有以下三种方式：一、通过某种方 法打开夸克间的强相互作用，使其部分质量转换为能量；二、如同核聚变一样，夸克、胶子 结合成强子的过程必将产生巨大的能量， 也可以利用夸克和反夸克的相遇湮灭， 从而放出巨 大能量的过程供能，但前提是我们必须以某种廉价的方式得到自由的夸克和胶子。三、自然 状态下的核衰变也是一种核反应，只不过由于其进行缓慢，因而能量释放并不明显，但夸克 的衰变是迅速的，质量大的夸克会很容易的迅速衰变成质量更小的夸克，从而释放能量。 2，制造新材料 当今，纳米材料正迅猛发展并得到越来越广泛的应用。随着夸克理论的发展，也许终有 一天，会出现“夸克材料” ，由于夸克本身一些不同寻常的性质，这一材料必将具有更加奇 特的特性，从而推动生物、化学、计算机等众多领域的发展，例如作为光导元件以加快运算 速度和信息储存量（制造更强大、先进的计算机） 。
【关键词】
色禁闭 渐进自由 CP 破坏 夸克-胶子体
一、引言
组成物质的基本粒子一直是物理界探究的问题，从原子到质子、电子，再到中子，再到 如今的夸克。 随着科学家们对微观世界的探究一步步的深入， 微观世界的神奇和复杂也逐渐 展现。我们已经知道，质子和中子是由更基本的粒子——夸克组成的，但，它彼此结合形成 其他粒子时遵循怎样的机制？夸克之间如何相互作用？研究夸克的意义又是什么？
1/2
在量子色动力学中，夸克除了具有“味”的特性外，每种夸克还分为三种“色” ，分别 为红、绿、蓝，这里借“色”这一词形象地比喻夸克本身的一种物理属性。因此计入 6 种味 和 3 种色的属性，共有 18 种夸克，另有它们对应的 18 种反夸克。 2，夸克幽禁和渐进自由 量子色动力学中有一套色禁闭理论， 即认为一切物质都是没有 “色” 的。 根据这一理论， 组成重子的 3 个夸克具有不同的色， 彼此结合形成无色的粒子， 这可以类比为光的三原色原 理。因此，强子内的夸克通过强相互作用紧紧束缚在一起，并用色荷当作这一作用的指标。 在这里，我们简单介绍一下夸克之间的强相互作用。在标准模型中，用费米子描述组成
参考文献
[1] Steven W. 《The Making of the Standard Model》 2003 年
[2] 高涌泉 《2004 年诺贝尔物理学奖介绍—渐进自由》 [3]黄涛 《量子色动力学引论》 北京大学出版社 [4]黄伟彦 《从夸克到黑洞》 台湾大学物理系 [5] http://particleadventure.org/
物质的粒子，玻色子指代传递各种力的粒子。当具体到夸克间的强相互作用时，费米子即指 夸克， 而夸克之间通过一种玻色子——胶子实现强相互作用， 这就如同电磁作用通过传递光 子实现一样，但另一方面，光子之间互相孤立，而由于胶子也带色荷，它们之间也有强相互 作用，从而使夸克间的作用机制比电磁作用复杂的多。 由于夸克幽禁现象， 人们至今尚未直接观察到自由的夸克， 但又是如何证实夸克的存在 的呢？20 世纪六十年代末， 弗里德曼等科学家在 SLAC 做了著名的核子深度非弹性散射实验， 用高能电子轰击质子，然后观察散射出来的粒子。实验结果表明，质子和中子中存在自由的 点状结构，从而证实了夸克的存在。 但是，这又引出另一个疑问，夸克之间通过强相互作用互相作用，那应该紧密靠在一起 存在于核子内， 但实验结果却为何显示其处于自由状态？我们称夸克近距离时的这一反常现 象为渐进自由。 简单的说，我们定义一个跑动耦合函数 α s （r）=2π （β0 ln （ r r0 )）, 夸克间的耦合强度随着距离 r 的变化而变化。对于一般的耦合，如电磁耦合，β0 的值大 于零， 距离越近， 耦合强度越强。 但唯独在杨—密尔斯场中， 原点附近的贝他函数值小于零， 从而导致距离越近， 耦合越弱， 夸克也就越自由。 对特定理论的贝他函数的计算是很困难的， 但我们可以从另一个角度理解这一反常结果：一般的理论（例如电动力学）中有屏蔽效应， 所以越靠近（电）荷，所量到（电）荷就会越大。反过来说，如果要有渐进自由，我们就得 要有反屏蔽效应， 可从磁性——而非电性的角度来看， 屏蔽和反屏蔽效应就分别等同于抗磁 性和顺磁性。 从基础物理可知带自旋又带荷的粒子可以导致顺磁性， 而杨——密尔斯粒子又 恰好带自旋又带荷，所以包含杨——密尔斯粒子的系统很自然地就可能具有顺磁性。 3，夸克与 CP 破坏 CP 破坏的发现为粒子物理学和宇宙学的核心问题打开了大门。CP 对称性是指同时做空 间反演以及粒子和反粒子互换，早在 1964 年，詹姆斯·克罗宁和瓦尔·菲奇就发现了中性 K 介子及其反粒子参与的弱相互作用破坏了 CP 对称性， 他们也因此获得了 1980 年度诺贝尔 物理学奖。因 CPT 是守恒的，T 是时间反演，CP 的不守恒意味着 T 也不守恒了。在量子场论 中， 时间反演指将一个粒子反演成其反粒子的过程。 中性 K 介子可以通过下图所示过程变成 其反粒子（中性 K 介子由一个奇异夸克和一个反下夸克构成） ，其时间反演的过程就是反中 性 K 介子变成中性 K 介子。这两个过程都会发生，但发生的几率不同，所以 CP 对称被破坏 了。从图中可以看出，多种夸克参与了这个过程。
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，在高能物理中也有应用，例如中微子探测。 2，夸克—胶子等离子体 夸克—胶子等离子体(QGP)是一种量子色动力学下的相态，所处环境为极高温和极高密 度。普通物质里，夸克是呈现色约束的；在 QGP，夸克则不受约束，而是更大一团的夸克与 胶子混合体。 在实验室中可以通过撞击两个大型原子核达到如此高的能量从而生成夸克和胶 子的这种混合态。 对于 QGP 的研究有助于了解极高温度下基本粒子的行为， 这对于了解早期 宇宙的演化（QGP 被认为存在于大爆炸宇宙诞生后的最初 20 或 30 微秒）非常重要。虽然看 上去距离实际生活非常遥远， 但是这对于研发新一代的宇宙探测器威尔金森微波各向异性探 测器及其后继者是非常关键的研究。 3，奇特的“五夸克态” 至今，人们已经发现和确立了几十个重子态，例如最轻的重子—核子，它们都可以归为 三夸克态，即由三个夸克组成。1997 年俄国物理学家预言存在一个电荷、自旋、宇称和质 子相同， 质量比质子重 60%的粒子。 这个粒子的夸克成分最少为suudd， 故称为 “五夸克态” 。 直到 2003 年，日本的一个实验组宣布在实验中发现了质量和宽度与这个理论预言完全一致 的一个新粒子θ+（1540） ，相继国际上有十多个实验组也宣布观察到了这个“五夸克态”存 在的迹象，多种“五夸克态”模型也不断被提出。 但好景不长，通过对得到此结果实验的不断重复，更大比重的实验结果否定了“五夸克 态”的存在，正当此时，一项新的实验发现质子中似乎存在ss 型的夸克成分，这无疑为“五 夸克态“的研究打开了另一扇门。
符号 u d c s t b 中文名称 上夸克 下夸克 粲(魅)夸克 奇夸克 顶夸克 底夸克 英文名称 up down charm strange top bottom 电荷（e） +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 +2/3 -1/3 质量（Gev/c^2） 0.004 0.008 1.5 0.15 176 4.7 自旋
源自文库
K 0 内的奇夸克变成下夸克，同时放射 出两个相反电荷的 W 玻色子， K 0 内的反下夸克则 通过吸收 W 玻色子变成奇夸克。
继而更多 CP 破坏的实例被发现，例如 B 介子和反 B 介子衰变过程中的 CP 破坏。CP 破 坏对解释今天宇宙中物质的数量远远超过反物质的数量有重要意义（假如 CP 对称，物质与 反物质应完全抵消，将导致一个没有物质，只有光子的宇宙） 。但这种对称的破坏是如何起
五、结语
简单的说，标准模型即是关于六种夸克，六种轻子的一套前沿理论，但它尚有很多问题 未解决： 我们尚未清楚了解色禁闭的本质？强子内的夸克和胶子究竟是怎样分布和相互作用 的？“小林—益川”理论中所提出的 CKM 矩阵所包含的 CP 破坏仍然很弱，不足以解释宇宙 初期的重子数生成；无法解释某些“夸克奇特态” · · · · · ·而且，对于顶夸克和夸克—胶子体 的研究尚处于初始阶段。随着这些研究的深入，我们期待比标准模型更完备，更统一的新物 理的建立。
源的呢？对此，小林诚和益川两人提出来著名的小林-益川理论，小林—益川理论描述了顶 夸克和底夸克之间通过 W 粒子弱相互作用的耦合强度，它将卡比博矩阵推广到三代夸克， 揭示了弱相互作用中 CP 破坏的起源问题，简单的说，即他们认为这一特定的 CP 破坏是由 于正反夸克的衰变反应速率不同造成的。 这一理论成功预言了另三种夸克的存在， 得到了基 本粒子物理学家的普遍认可。他们也因此获得 08 年的诺贝尔物理学奖。
三、夸克的研究与应用
1,夸克的转变及其应用 夸克只能通过弱相互作用由一种味变成另一种味， 前面所介绍的中性 K 介子的振荡过程 中已经体现了不同夸克间的转变。任何上型的夸克（上、桀及顶夸克） ，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，一中子（n） “分裂”成一质子（p） 、一电子（e） 及一反电子中微子（ve） 。在β衰变发生时，中子（udd）内的一下夸克在释放一虚 W 玻色子 后，随即衰变成一上夸克，于是中子就变成了质子（uud） 。随后 W 玻色子衰变成一电子及一 反电子中微子。 n udd → → p uud + + ee+ + νe νe （β 衰变，重子标记） （β 衰变，夸克标记）
《物理学月刊》 2005 年 2 月
二、夸克理论
1，夸克模型 1964 年，美国科学家盖尔曼首先提出了关于强子结构的夸克模型。强子是粒子分类系 统中的一个概念，包括重子和介子，质子、中子都属于重子，他提出，所有强子是由夸克组 成的，如质子和中子都由 3 个夸克构成。经过几十年不断的研究，物理界基本已经承认六种 夸克的存在，即夸克有六种味。下表一一列出了这六味夸克及其一些性质。