夸克禁闭和渐近自由
神奇的现代物理(快板书)
丁亦兵
引子：最近我们翻译了诺贝尔物理奖得主维尔切克的一本高级科普 名著，书名为《奇妙的现实》，不久即可面世。颇为罕见的是，书中收 录了这位现代物理学大家的六首诗，用简洁的诗的语言形式介绍现代物 理知识和从事物理研究工作的体会，读起来别有一番情趣。其中有一首 叫做“Gloun Rap”译为“说唱胶子”①，很短但很风趣。这首诗以简短的几行，用说唱的形式把胶子的特 点及它们起的作用描述了出来，很有点意思。
Gromia sphaerica）同样可以产生化石痕迹。而科学 界长期以来一直认为，只有左右均匀对称的多细胞 动物才可能留下这种化石痕迹。
如果马兹是正确的，那么寒武纪生物大爆发之 前就已经出现多细胞生命形式了。寒武纪生物大爆 发指的是距今约 5.5 亿年之前的一个生物快速进化 和多样化的时期。
（高凌云编译自《欧洲核子研究中心快报》2009 年第 2 期）
（中国科学院研究生院 100049）
本文获“我心目中的现代物理”征文二等奖 ①胶子是传递强相互作用的媒介粒子，在量子色动力学中 起着关键作用。它们在带三种不同颜色的夸克之间起到了胶合的 作用，因此共有八种带有两种颜色的胶子。靠着它们，三个夸克结 合成了物质世界的最基本的组分——中子和质子。多彩多姿的物质 世界就是由这些质子和中子以及电子一起通过光子传递的电磁力 以各种形式构成的。胶子的行为非常诡异，它是一个复杂的色规范 场的量子，满足一组非线性方程。所谓的夸克禁闭和渐进自由都和 胶子的行为有关。下面引用了这段小诗，以供有兴趣地读者欣赏。
JJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJJ
远古巨型变形虫
痕迹化石是古生物留下的 遗迹，对推测动物出现的时间非 常重要。美国德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）的马兹（Mikhail Matz）和同事 观察到生活于海底、宽达 3 厘米的巨型单细胞有壳 变形虫，在海底移动时会留下凹槽似的痕迹。他们 因此提出，20 亿年前的远古巨大变形虫（拉丁名为
夸克胶子物质中的夸克—夸克—反夸克和夸克—反夸克—反夸克弹性解读
上海大学硕士学位论文夸克胶子物质中的夸克—夸克—反夸克和夸克—反夸克—反夸克弹性散射姓名：马成程申请学位级别：硕士专业：凝聚态物理指导教师：许晓明20070401上海大学硕士学位论文摘要为了解释ＲＨＩＣ的Ａｕ＋Ａｕ核碰撞中椭圆流系数”：的测量值，理想流体力学模型假设：碰撞产物（夸克胶子物质）建立了相当大的早期压力并且在碰撞后小于ｌｆｍ／ｃ的极短时间内达到了（局域）热平衡。
此即早期热平衡化现象或快速热平衡化现象。
研究夸克胶予物质的这种早期热平衡化现象对于认识夸克胶子等离子体（ＱＧＰ）及其演化有着非常重要的意义。
科学家们用２．＋２和２—３的部分子散射机制给出大于ｌｆｍ／ｃ的热平衡化时间，因此不能解释早期热平衡化现象。
最近在我的导师许晓明的文章中，作者提出的三胶子弹性散射机制成功地将胶子物质热平衡化时间减少到０．４５ｆｍ／ｃ。
但从二夸克和三夸克弹性散射得到的夸克物质的热平衡化时间是２．２ｆｍ／ｃ，不能给出夸克物质的早期热平衡化结果。
到目前为止，对于夸克物质的早期热平衡化现象的动力学机制还不清楚，是必须探讨的问题。
作为高能量，高密度的凝聚态物质，夸克胶子物质内除了夸克物质和胶子物质，还包含反夸克物质。
反夸克物质通过夸克一反夸克、夸克一夸克一反夸克、夸克一反夸克一反夸克的弹性散射会对夸克物质的热平衡化产生一定影响。
因此，除了夸克一反夸克弹性散射外我们提出以夸克一夸克一反夸克和夸克一反夸克一反夸克的弹性散射过程来研究反夸克物质对夸克物质快速热平衡化的贡献。
考虑最低阶的ｑ丽一嘶散射过程的３８个散射费曼图。
根据在散射过程中分别包含两胶子交换和三胶子顶点，把这３８个散射费曼图分成两类，前者有３２个图，后者有６个图。
依据微扰ＱＣＤ的费曼图规则，从夸克和反夸克的旋量、顶点因子、胶子和夸克传播子写出以上各图的跃迁振幅。
编制Ｆｏｒｔｒａｎ程序，推导３８个费曼图的振幅平方及不同图之间的１００４个不为零的干涉项的公式。
对末态夸克反夸克自旋和色求和．对初态夸克反夸克自旋和色求平均的振幅平方和干涉项包括夸克，胶子传播子和色ＳＵ（３）群生成元乘积的迹和大量的ｙ矩阵乘积的迹。
量子色动力学
量子色动力学维基百科，自由的百科全书量子色动力学（英语：Quantum Chromodynamics，简称QCD）是一个描述夸克胶子之间强相互作用的标准动力学理论，它是粒子物理标准模型的一个基本组成部分。
夸克是构成重子（质子、中子等）以及介子（π、K等）的基本单元，而胶子则传递夸克之间的相互作用，使它们相互结合，形成各种核子和介子，或者使它们相互分离，发生衰变等。
量子色动力学是规范场论的一个成功运用，它所对应的规范群是非阿贝尔的群，群量子数被称为“颜色”或者“色荷”。
每一种夸克有三种颜色，对应着群的基本表示。
胶子是作用力的传播者，有八种，对应着群的伴随表示。
这个理论的动力学完全由它的规范对称群决定。
目录[隐藏]▪ 1 历史▪ 2 理论▪ 3 微扰量子色动力学▪ 4 非微扰量子色动力学▪ 5 参考文献▪ 6 外部链接[编辑]历史静态夸克模型建立之后，在重子质量谱和重子磁矩方面取得了巨大成功。
但是，某些由一种夸克组成的粒子的存在，如等，与物理学的基本假设广义泡利原理矛盾。
为解决这个问题，物理学家引入了颜色自由度，并且颜色最少有3种。
这个时候颜色还只是引入的某种量子数，并没有被认为是动力学自由度。
静态夸克模型建立之后，经历了十年左右的各种实验，都没有发现分数电荷的自旋的夸克存在，物理学家被迫接受了夸克是禁闭在强子内部的现实。
然而，美国的斯坦福直线加速器中心SLAC在七十年代初进行了一系列的轻强子深度非弹性散射实验，发现强子的结构函数具有比约肯无标度性(Bjorken Scaling)。
为解释这个令人惊奇的结果，费曼由此提出了部分子模型，假设强子是由一簇自由的没有相互作用的部分子组成的，就可以自然的解释比约肯无标度性(Bjorken Scaling)。
更细致的研究确认了部分子的自旋为，并且具有分数电荷。
部分子模型和静态夸克模型都取得了巨大成功，但是两个模型对强子结构的描述有严重的冲突，具体来讲就是夸克禁闭与部分子无相互作用之间的冲突。
物理学的发展
物理学发展和科技革命BZ07004007 庞锦毅摘要本文试图从讨论物理学发展的脉络来研究科技革命的过程。
众所周知，物理学是认识世界的学科。
她是如何描述世界的？她能将我们的世界解析到何种程度？文章第一章会给出经典物理学框架下，物理学是如何发展并一步步揭示世界本质以及她在解释世界的过程中遇到了哪些困难。
第二章会叙述近代物理学一次重要的变革以及阐明物理学是如何通过自我修正重新准确揭示世界本质的过程。
第三章会给出近代物理学发展的脉络及其遇到的困难。
关键字：分析力学，自由度，动力学轨迹，统计，相对论，量子理论第一章经典物理学很多物理学史学者对于在最近的那次物理学变革来临之前的物理学史倾向于这样一种观点：经典物理学的大厦已经构建完成，剩下的任务只是将一些基本常数测量的更加精确。
个人认为这种观点不但不严谨，甚至是谬误的。
众所周知，物理学的终极目标是描述世界。
而我们的世界从还原论的角度说，是一个多体系统。
仅仅完善基本单元的动力学是远远不够的。
经典物理的分析力学只能完全求解单自由度的系统的动力学。
一旦超出单自由度情形，看似无所不能的分析力学实际上就变得捉襟见肘了。
众所周知的困难就是从两体问题到三体问题的障碍。
两体问题由于空间平移对称性和空间转动对称性的缘故，原本的六自由度系统最终能够约化为单自由度问题而得以求解。
然而拥有九自由度的三体问题即使经过对称性约化，也还剩余四个自由度。
当然，这并不是说分析力学无法分析这些多自由度问题。
欧拉-拉格朗日方程能够给出系统自由度的演化方程，但是对于大量的非线性系统我们由于最终无法解耦这些微分方程而不能给出清晰的相空间动力学轨迹。
从某种意义上讲，我们对于我们的世界仍旧知之甚少，即使在那个经典物理学如日中天的年代。
随着数值计算的发展，优美的解析物理学开始向数学妥协：既然无法解析求解普遍的动力学轨迹，我们便给出一个具体的动力学轨迹数值解。
实际上，随着自由度的增加，这种妥协也开始崩溃。
大量自由度与非线性的结合导致了混沌的出现。
世界科学技术史物质的基本结构与统一场论(1)
▪ 4.粒子对撞机
▪ 北京正负电子对撞机(BEPC):1988年，5.6吉 电子伏特,周长240米
▪ 西欧核子研究中心正负电子对撞机 (LEP):1998年，100吉电子伏特,周长27公里
▪ 美国超导超级对撞机(SSC):周长87.5公里， 耗资80亿美圆
四、微观时空：翻腾的“量子泡 沫”
▪ 3.并不存在宇宙的终极理论；事件在一定程 度之外不可能被预言，仅仅是以一种紊乱 或 任意的方式发生。思源自题▪ 什么是“夸克禁闭”?
三色：红（R）、绿（G）、蓝（B）三色
▪ 4.夸克禁闭：物质内部不能分离出自由夸克 的现象
打出一个π介子
▪ 5.“渐进自由”：夸克越相互接近、其相互作 用力越减小的现象
▪ 6.轻子家族：电子、μ子、τ子及其各自的中 微子
泡利：中微子
▪ 厄普代克:“宇宙的烦恼”：
▪ 中微子多么微小 没质量微不足道 没有电荷 对谁也不干扰。 地球是个傻大个 驰骋穿过自逍遥
五、超弦理论：宇宙万有理论 （T.O.E）
▪ 宇宙的终极构成不是简单、无维的数学点， 而是在单维内展开的无穷、细小的弦，宇宙 中的一切粒子和力都是弦的振动.
六、宇宙终极理论之争
▪ 1.确实存在一个完整的统一理论，如果我们 足够聪明的话，总有一天将会找到它。
▪ 2.并不存在宇宙的最终理论，仅仅存在一个 越来越精确地描述宇宙的无限的理论 序列。
一、物质的基本结构：夸克和轻 子
1.中子与反电子的发现
查德威克：中子 狄拉克：预言反电子
2.夸克的发现
肯德尔、弗里德曼与泰勒：用电子轰击质子 盖尔曼：Three quarks for master mark
▪ 3.夸克的“味”和“色”
六味：上(u)、下(d)；奇异(s)、粲(c)；顶(t)、底 (b)
夸克禁闭原理
夸克禁闭原理
夸克禁闭原理（Quark Confinement Principle）是指夸克在强相互作用下无法单独存在，而只能以组合的方式形成稳定的粒子。
这个原理是量子色动力学（Quantum Chromodynamics，简称QCD）的基本原理之一。
根据夸克禁闭原理，夸克无法被单独观测到，因为它们被强相互作用束缚在强子中，如质子和中子等。
夸克之间的相互作用通过交换胶子（gluon）来传递，这种相互作用被称为量子色动力学。
夸克禁闭原理的实质是由于强子之间的强相互作用非常强大，当夸克试图从一个强子中分离出来时，随着距离的增加，能量也会增加。
这种能量的增加会导致产生新的夸克-反夸克对，使得夸克无法单独存在。
夸克禁闭原理的重要性在于解释了为什么我们无法直接观测到自由的夸克，以及为什么只能观测到强子，如质子和中子等。
这个原理对于理解强子的性质和强相互作用的本质具有重要意义，并在粒子物理学中发挥着重要的作用。
夸克禁闭理论
夸克禁闭理论
夸克禁闭理论是一种重要的物理理论，它描述了普通物质的基本结构。
早在20世纪50年代，物理学家阿尔弗雷德爱因斯坦就提出了阿尔弗雷德爱因斯坦的夸克理论，但这一理论只能解释宇宙中的大质子，而不能解释宇宙中较小的部分，如中子和夸克等。
随后，英国物理学家阿兰费米和美国物理学家艾伦爱登提出了夸克禁闭理论，以解释普通物质的基本结构。
他们认为，宇宙中的每一个原子都由3个夸克组成：上弦夸克、下弦夸克和中子。
当夸克和中子之间结成稳定的原子结构时，这个原子就处于禁闭状态，因此这种理论也被称为夸克禁闭理论。
夸克禁闭理论提供了描述普通物质结构的精确方法。
据它所描述的，原子由电子和夸克（又称微粒）组成，而夸克又由质子、中子和极小的质量粒子组成。
夸克之间的相互作用产生了原子的稳定性和原子的特殊性质，这是普通物质结构的基础。
夸克禁闭理论不仅为科学家们提供了一些重要的研究见解，而且也为一些关键的技术的发展奠定了基础，比如核能开发、电视和无线电、电脑、核武器研究、人造卫星等。
夸克禁闭理论也为研究宇宙和宇宙中发生的物理过程提供了一个基础，它揭示了宇宙中普通物质的结构特征，同时也提供了一些有关宇宙形成的见解。
总之，夸克禁闭理论是一项重要的物理理论，它描述了普通物质的基本结构，而这一结构则决定了物质的性质。
夸克禁闭理论不仅提供了宇宙形成的解释，也为科学发展和技术进步奠定了基础，在宇宙
研究中起着重要作用。
认识了解夸克
认识了解夸克•夸克夸克（英语：quark，又译“层子”）是一种基本粒子，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夸克。
就是因为这个原因，我们对夸克的所知大都是来自对强子的观测。
所有的中子都是由三个夸克组成的，反中子则是由三个相应的反夸克组成的，比如质子，中子。
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。
我们知道夸克有六种，夸克的种类被称为“味”，它们是上、下、粲、奇、底及顶。
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态变成低质量态的过程。
就是因为这个原因，上及下夸克一般来说很稳定，所以它们在宇宙中很常见，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）。
夸克有着多种不同的内在特性，包括电荷、色荷、自旋及质量等。
在标准模型中，夸克是唯一一种能经受全部四种基本相互作用的基本粒子，基本相互作用有时会被称为“基本力”（电磁、引力、强相互作用及弱相互作用）。
夸克同时是现时已知唯一一种基本电荷非整数的粒子。
夸克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，只在于它的一些特性跟夸克大小一样但正负不同。
（一个质子和一个反质子在高能下碰撞，产生了一对几乎自由的夸克。
）1964年，美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——Quark组成的。
它们具有分数电荷，是基本电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。
遵循“渐近自由”原理。
[1]其空间尺度是微观粒子中最小的，大约小于10的-19次方。
夸克模型分别由默里·盖尔曼与乔治·茨威格于1964年独立地提出。
夸克禁闭和渐近自由-USTC,ICTS
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• 1973年Kobayashi-Maskawa在日本学术刊物 ”理论物理进展”（Progress of Theoretical Physics）发文指出如果自然界中还存在（至 少）第三代夸克(顶夸克t和底夸克b )，微观 粒子系统中的CP破坏现象就可以得到解释。 从而预言了底夸克b和顶夸克t的存在并为实 验所证实。他们还认识到B介子(包含b夸克 的介子)有可能是研究CP对称性破坏的最理 想的场所。发现对称性破缺的来源并预言了 自然界至少存在三代夸克。
• quark-parton model 那些自旋为1/2的部 分子(点粒子)就是所有的价夸克和海夸克。
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量子色动力学理论 (非阿贝尔规范场)
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反屏蔽
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1973年 Gross-Wilczek，Politzer奠定了量子色动力 学理论基础。证明了非阿贝尔规范场的渐近自由性
质。
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屏 蔽
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• 实验上的Scaling现象告诉我们，如果电 子－质子的非弹散射是由于电子与质子 内部的许多类点成分发生不相干的弹性 散射所引起的，那么Scaling现象就自然 发生。人们将这些类点组成分称为部分 子(Parton)。
• 这样，电子和质子内的点Parton相互作 用发生弹性散射就成为电子－质子深度 非弹散射的基本过程。
• 计算物质世界的重量：物理学家最新的计算数据表明，标 准模型非常准确地预测了质子和中子的质量。
• 更快、更廉价的基因组测序
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2008年度诺贝尔物理学奖
南部阳一郎(1921年生)
小林诚(1944年生)
益川敏英(1940年生)
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深层次物质结构两大特点
量子色动力学札记
现代物理知识
中科研工作停顿，学术期刊停顿，就连订购国际期 刊也停止，仅有个别单位还保留有国际著名学术刊 物的复印本。讲一个故事可见当时的状态。1972 年 美国总统尼克松访华后一些美国科学家相继访问北 京，其中加州理工大学校长哥德波格（Goldberg） 到达后第二天，胡宁先生陪他去长城，他说两天后 他的学术报告不是讲他自已的工作，而是讲代表美 国最高水平的工作。胡先生从长城回来后立即告诉 我们北京三个合作单位，于是动员所有的人去图书 馆查文献猜测他讲什么，要有所准备，不要暴露出 我们不知道国际上的进展。由于长期与国外无交流， 经过突击准备总算猜到了一点眉目，当哥德波格讲 电磁-弱相互作用统一模型（Weinberg-Salam） 时还 能 跟 上 提 出 问 题 。 1967 年 温 伯 格 以 格 拉 肖 （Glashow）1963 年提出的模型为出发点，引入黑 格斯机制（Higgs）构建了电、弱统一模型并预言了 中性流和中间玻色子 W 和 Z 的质量。值得指出 1972 年富有才华的理论物理学家本·李（B.W.Lee, 韩国 人）在一篇题为《弱相互作用理论前景》的讲演中， 非常清晰地介绍了电、弱统一模型，使得这一理论 为更多理论家和实验家所重视，功不可没。1973 年 实验上发现了中性流，1979 年格拉肖、温伯格和萨 拉姆三人获诺贝尔奖（图 3）。1976 年后我们从灾难 性的文革中清醒过来，本·李的文章成为我们学习 非阿贝尔规范场（杨−Mills 场）迅速掌握弱、电统 一模型和量子色动力学规律的必读文献。1979 年 本·李于一次车祸中丧生（高速路上由于对面高速 行驶的卡车所撞），是国际粒子物理界的一大损失。
原子按门捷列夫周期表分类，其分类图类似于古代
的八卦图。这些图形可以设想为由基本的正三角图
高能核子-核子碰撞中末态粒子分布
本科毕业论文（设计）题目：高能核子-核子碰撞中末态粒子分布姓名：汪泽君学号：20071004486院（系）：数学与物理学院专业：物理学指导教师：_______ 职称：评阅人：职称：2011年6月本科生毕业论文（设计）原创性声明本人以信誉声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果及为获得中国地质大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
毕业论文作者（签字）：签字日期：年月日１摘要探索物质微观结构和质量起源，是物理学研究的前沿领域。
高能重离子碰撞是20世纪70年代兴起的一个新的研究领域，碰撞由大量的核子-核子碰撞组成，核子-核子碰撞会产生大量的粒子，通过这些大量产生粒子的整体运动特征的研究，可以帮助我们认识核-核碰撞和物质更深层次的性质和特性，对于粒子物理、核物理和有关宇宙形成及演化都有非常重要的研究意义。
本文内容分为四个章节：第一章引言部分首先介绍物质的微观结构、夸克模型、夸克的特殊行为；然后介绍新的物质态QGP和高能重离子实验中QGP的产生可能性。
最后介绍高能核子-核子碰撞的一些特征。
第二章核子-核子碰撞模型PYTHIA和相关物理量的介绍部分介绍本文用的主要模型PYTHIA，快度、横动量、赝快度等基本物理量。
第三章高能核子-核子碰撞中末态粒子分布是本文的主要内容。
主要利用PYTHIA模型作出p-p碰撞的快度分布、横动量分布和角分布，并加以分析。
第四章总结和展望部分对本文做一小结。
关键词：夸克、夸克-胶子等离子体、核子-核子碰撞、PYTHIA模型、快度、赝快度、横动量２ABSTRACTExplore substance microstructure and quality origin, is the frontiers of physics field. High energy heavy-ion collisions in the 1970s is a new research field up by large, collision of nuclear - nuclear collision, nuclear - nuclear collision of particles produced by these lucrative particles, the overall dynamic features of research, can help us recognize nuclear - nuclear collision and material deeper properties and characteristics, for particle physics, nuclear physics and the formation and evolution of the universe has very important research significance. The article content is divided into four sections:Preface part first introduces physical microstructure and quark model, quarks special behavior; Then introduce new material state QGP and high energy heavy-ion experiments QGP production possibilities. Finally introduce high-energy nuclear - nuclear collision peculiarities.The second chapter nuclear - nuclear collision model introduced PYTHIA and related parameters of the main part in this article with model introduced the PYTHIA, quick degree and maxillofacial momentum, basic physical quantities quickly degrees. The third chapter high-energy collision nuclear - nuclear particle distribution is normal at the end of the main content of this article. The main use PYTHIA model make p - p collision of quick degrees distribution, horizontal momentum distribution and angular distribution, and analyzed.The fourth chapter summary and outlook of this paper make a summary part. Key Words: Quarks，QGP，nuclear - nuclear collision，PYTHIA model，Quick degrees，constraint fast degrees，the horizontal momentum３目录第一章引言 (5)§1.1 夸克模型 (5)1.1.1 基本粒子不基本 (5)1.1.2 夸克模型 (6)1.1.3 渐近自由和夸克禁闭 (8)§1.2 高能重离子碰撞 (10)1.2.1 QCD预言 (10)1.2.2 高能重离子碰撞 (11)1.2.3 高能核子-核子碰撞 (13)第二章核子-核子碰撞模型PYTHIA 和相关物理量的介绍 (16)§2.1 核子-核子碰撞模型PYTHIA (16)§2.2相关物理量的介绍 (17)2.2.1 快度、赝快度 (18)2.2.2 横动量 (20)第三章高能核子-核子碰撞中的末态粒子分布 (22)§3.1快度分布 (22)§3.2横动量分布 (23)§3.2轴向角分布 (24)第四章总结和展望 (25)§4.1总结和展望 (25)致谢 (27)参考文献 (28)４第一章引言§1.1 夸克模型1.1.1 基本粒子探索物质微观结构和基本作用力的性质，是科学研究的重要领域。
粒子物理简介
粒子物理简介1 粒子物理的基本粒子简介你知道原子中的正电荷与电子是如何分布的吗？最早，汤姆逊提出了枣糕模型，即原子质量与正电荷如同糕点均匀分布，电子则如同枣一样嵌入在糕点之中。
后经a粒子散射实验发现，放射性元素发出的a粒子穿过金箔后射到荧光屏上产生闪光点可用显微镜观察到，绝大多数a粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数a粒子发生较大偏转，极少数a粒子甚至被反弹回来。
这些证实了汤姆逊枣糕模型是不正确的，因为电荷并不是均匀分布的。
之后，卢瑟福提出了核式结构模型，即在原子中心有一个很小的核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在核里，而电子则在核外空间里绕着核旋转。
这是人们所认可的模型，经过多年的实验检测，也是正确的核子模型。
质子和中子被统称为核子。
1930年，博特和贝克尔发现金属铍在a粒子轰击下产生一种贯穿性很强的辐射。
1932年，居里夫妇用其轰击石蜡打出质子，他们都认为这是一种高能量的γ射线，但是查德威克断定这种射线不可能是γ射线，因为γ射线不具备从原子中打出质子所需要的动量，并且他认为只有假定这是一种质量跟质子差不多的中性粒子才能解释这一现象。
经过不断检验，他的这一假设被证实是完全正确的。
那么他们为什么会聚集在原子核内部，而不跑出来呢？核力是能够克服质子之间的库仑斥力，使核子结合成原子核的力，它只在原子核的限度内存在并且对质子与中子”一视同仁”，对它们都有极强的束缚作用，使它们无法逃出原子核。
由于核力只存在于相邻核子间，所以增加核子数并不能显著增大核子间的束缚能力。
原子核的稳定性取决于核力与库仑力的较量。
轻核束缚能小是因为没有足够的核子来提供核力，而重核束缚能小是因为库仑斥力随着质子数增加而变大，这也是核反应堆中的链式反应的原理。
如果单纯增加中子也会遭受泡利不相容原理引起的斥力，那么什么又是泡利不相容原理呢？在费米子组成的系统中不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态，这是成为电子在核外排布成周期性从而解释元素周期表的准则之一。
量子色动力学(量子群的第一次讲课)
量子色动力学是一种强相互作用的规范理论,简称Q C D。
它描述组成强作用粒子（强子）的夸克和与色量子数相联系的规范场的相互作用，可以统一地描述强子的结构和它们之间的强相互作用，被认为是有希望的强作用基本理论。
在量子色动力学中夸克的质量不大，胶子的质量为零，它们应当很容强子结构易产生。
因此必须解释为什么没有在实验中观察到这些粒子。
作为强作用的基本理论，人们还需要量子色动力学来得到强子谱和强子的结构，这些问题不能在微扰论的范围内得到解答。
人们设想夸克和胶子这样的带色量子数的粒子是由于规范场书籍相互作用的动力学的原因而被禁闭在强子半径10＾-13c m的范围内。
只有强子这样的白色的复合粒子才能作为自由粒子而出现。
这种色量子数的禁闭或者是绝对的或则是近似的。
人们从不同的角度给出论据，企图说明色的禁闭在量子色动力学中是成立的。
先解释一下色荷的色是什么意思。
所谓色，不是真正的指日常中看到的颜色，这只是夸克的本征态的一种叫法而已。
理论和实验都证明了夸克有三种本征态，这三种本征态组合到一起，能束缚成核子，叫重子。
而每种本征态和其相反值也能够束缚成强子，叫介子。
这些个本征态叫什么呢？总的给他们起个名吧。
所以，就想到了日常中的颜色，因为红、蓝、三种颜色恰好能组合到一起，形成透明的一个态，而同时红色和反红色也能够组成透明的态。
正是这种类比，所以，才把夸克的态叫做色态，即色荷。
夸克与胶子的「颜色」与视觉上的色彩无关，而仅仅是对於一种表现上几乎不超过原子核大小范围的性质的一项奇特名称。
「颜色」这个词单纯是因为色荷有三种类形，类比於三原色；相对地，电荷就只有一种类型（但其中尚有正负之分四种相互作用力的比较，由这个可以看出强相互作用力是最大的而且是短程力，它的耦合强度与远大于|色荷是一种具有三个可能性的新量子数。
使用色荷来表示夸克的某种性质，会有人真的认为夸克具有颜色，这只是个夸克的一个标签。
这是用来计算与解决重子问题的的关键。
4 夸克，全是夸克!
物理学咬文嚼字
物理学咬文嚼字之四
夸克， 全是夸克！
曹- 则- 贤
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力了。 杂志和书本里流行的说法是， .>?U 年 U 月的 一天， 盖尔曼在阅读英国作家詹姆斯・乔伊斯 中的一句 （ 1*;43 12=+4 ）的小说《 R),,4B*,3 S*H4 》 ‘ X!<44 W’*<H3 :2< ;’3"4< ;*<H ’时想到的。 盖尔曼觉 得 "!<44 W’*<H3 的暗喻非常好， 暗合当时所知的三种 抽象的未知存在， 于是把这三种粒子命名为 “ W’*<H ” 《 R),,4B*,3 S*H4》 一书中具有多种 （ 夸克）。 夸克在 含义， 其中之一是一种海鸟的叫声。 盖尔曼认为， 这 适合他最初认为 “ 基本粒子不基本、 基本电荷非整 数” 的奇特想法， 同时他也指出这只是一个玩笑， 是 对矫饰的科学语言的反叛。 另外， 也可能是出于他 对鸟类的喜爱 （ 老年盖尔曼是个不错的鸟类专家） 。 读者且慢以为到此算是理解了夸克的字面含义， 略 知乔伊斯和他作品的人知道， 现在下此断言太早； 如 果还能略微了解一下盖尔曼的工作和性格上的一些 特点， 就更不敢遽下结论了。 乔伊斯何许人也？他是小说 《 尤利西斯（ Y(=38 343） 》 和 《 R),,4பைடு நூலகம்*,3 S*H4 》 的作者， 这两本书号称是 世界上 最 难 懂 的 书。 笔 者 试 着 读 了 一 段 《 尤利西 斯》 ， 服气！12=+4 把道听途说的一些相对论、 量子、 场、时空、 宇宙等现代科学概念， 还有一些哲学概 念， 按照自己的理解， 加入几种语言的作料且多采用 双关语， 编排入他自己的文学作品（ 似乎哪个国家 都从来不缺这类作家， 但能达成如此高度的罕见） ， 这就造成了他的作品之奇异怪诞晦涩难懂的特色。 （ 一点也不） 奇怪的是， 越是莫名其妙难以理解的东 西， 越有人认为高明！乔伊斯有多难懂， 看看对小说 《 R),,4B*,3 S*H4 》 的书名和这句‘ X!<44 W’*<H3 :2< 的中文翻译， 大家就能找到一点感觉。 ;’3"4< ;*<H ’ 《 R),,4B*,3 S*H4 》被翻译成 《 芬尼根彻夜祭》 ， 《芬 尼根守灵夜》 ， 《 为芬尼根守灵》 和 《 菲尼根们的苏 醒》 ， 更有不负责任者将其翻译成 《 菲尼根斯 ・ 威 克》 ， 让人奇妙莫名。 其实， R),,4B*, 是一个小城的
基本粒子关系
基本粒子关系强子就是参与强相互作用的粒子，可以分为介子和重子，目前粒子物理的夸克模型认为介子是由夸克和反夸克组成，重子则有三个夸克（或者反夸克）组成，重子可以再分为核子（包括质子和中子）和超子（因为质量超过核子的质量而得名）。
电子和中微子等属于轻子，不参与强相互作用。
目前粒子物理认为轻子，夸克等没有结构，是点粒子。
电子质子等粒子带有电荷，带电粒子之间可以发生电磁相互作用，而电磁作用场的量子是光子，即带电粒子之间通过交换光子而发生相互作用。
夸克带有颜色（或者色荷），夸克之间，夸克和胶子之间，胶子之间，可以发生色相互作用，而色相互作用场的量子是胶子。
光子和胶子都是传递相互作用的媒介粒子，目前认为它们也没有结构，是个点粒子。
第一类：纯单个粒子，中微子，电子，大统一粒子，夸克。
第二类：由两个基本粒子合成的粒子，如π介子，W、Z玻色子。
第三类：由三个基本粒子合成的粒子，如：中子，质子及其它强子。
第一类粒子中的大统一粒子不能游离态存在，它们必须二个并存，构成了π介子，和W玻色子。
（特别注意的是，这一点与传统理论完全不同，为什么要这样猜想呢？你如果接着往下看就明白了。
）第一类中的夸克也不能单独存在，它们必须三个并存在，构成了质子与中子等强子|评论1. 强子和轻子是构成世界万物的两个基本类别①强子：由夸克组成的粒子。
两个夸克组成的强子叫介子；三个夸克组成的强子叫重子。
所以，不管是介子还是重子，都是强子。
与之对应的是轻子。
②轻子：目前已知的的轻子有三代，包括电子及电子中微子、缪子及缪子中微子、tau子及tau子中微子。
轻子之所以叫轻子，主要是因为轻子一直到现在都没有发现其有内部结构，认为轻子是点粒子。
2. 胶子是传递强相互作用的传播子。
强相互作用的粒子，即强子是有夸克组成，夸克和夸克之间形成的介子或者重子就是靠夸克间的胶子相互传递从而耦合在一起的。
3. 根据色禁闭理论，单独的夸克是不存在的，而胶子是传播子，严格意义上将，比较两者的大小根本没有任何意义，因为单独的夸克不存在，存在的夸克都以介子或强子而存在。
夸克囚禁及其诸多疑难
1975年，斯坦福直线加速器中心的一个小组又提出了SLAC袋模型，但在与实验的符合方面，并没有MIT袋模型好。
李政道在1978年认为，袋模型的实质可以理解为真空存在的两种相，是色介电常数等于零的真空相、包围着色介电常数不等于零的区域，这个区域就是“袋”，他在数学分析中，把色介电常数看成是一种唯象的标量场，在不同极限下，就分别得到了MIT袋模型和SLAC袋模型。
（二）
强子的夸克组成、及以此为描述依据的量子色动力学，它成功实现了对强子的分类，用十分简单的模式包罗了复杂的强子现象，在描述强子个体的对称性存在中，也取得了与所有实验事实相符的巨大成功，成为了标准模型最重要的组成部分。但在夸克模型展示了这种十分诱人的成功性的同时，如下所述，却又有诸多难以克服的一大堆疑难。
4、夸克有自旋，夸克组成了强子，夸克自旋确不能构成强子自旋，有著名的自旋危机；尽管有人宣称解决了该危机，但这种解决方法有不应该有的假设条件，也不是粒子在实验室存在的通常状态。
原子由核与核外电子构成，为什么人们都相信原子构成就是如此，就是因为核与核外电子在实验室存在的通常状态下、自动构成了原子存在的所有事实，而对夸克自旋危机的解决就并没有能给人以这种信任感。
1、强子结构的袋模型。其描述是用附加边界条件的方法，将夸克束缚在有限的空间区域内。
较成功的是1974年由约翰孙等人提出来的MIT袋模型。该模型认为夸克与胶子在“袋内”满足通常的运动方程，而在袋的表面则有两类边界条件：一类是线性的，它限制了色力线不得穿出袋表面；第二类是二次的，它规定袋内夸克和胶子场对袋表面产生的压力、与袋外部真空对袋表面产生的压力平衡。1975年布达佩斯的一个小组为MIT袋加上了表面张力项，考虑了袋表面的动力学；1978年约翰孙又为它的MIT袋模型找到了一种定域场论的拉氏函数。该模型在解释强子色单态、强子谱及磁矩、弱作用轴矢量与轴矢量耦合常数比等方面都很成功，但它拉氏函数却是不可量子化的。
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➢ 夸克禁闭 ➢ 渐近自由
夸克禁闭和渐近自由
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内容
一. 夸克模型和三代夸克 二. 渐近自由--量子色动力学理论 三. 渐近自由的实验验证 四. 夸克禁闭难题 五. 展望
夸克禁闭和渐近自由
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一. 夸克模型和三代夸克
六十年代 发现了大量强子态， 1960 反Σ粒子发现, 王淦昌等。 1961 SU(3) 八重态方案，对称性分类。 Neeman,Gell-Mann 1964 Ω-发现 1964年 Gell-Mann提出Quark model。
1965-66 层子模型(相对论性)。
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8
夸克禁闭和渐近自由
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s
K0(ds)
K+(us)
s
K*0
K*+
-(u d) 0
+(ud) I3
-
0
+ I3
K-(su)
K0(sd)
自旋为0
0 = uu-dd
△- △0
△+ △++
2
K*-
K*0
自旋为1
s
(ddd) (udd) (uud) (uuu)
B-factorySuper-B factory(Japan)
夸克禁闭和渐近自由
电荷 +2/3 -1/3
0 -1
“基本” 粒子
从轻到重
uc
t
d
s
b
e
e
夸克 ( q ) 轻子 ( l )
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➢ mu=1.5-4.5 MeV ➢ md=5-8.5 MeV ➢ ms=80-155 MeV ➢ mc=1.0-1.4 GeV ➢ mb=4.0-4.5 GeV ➢ mt=174GeV
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➢ 实验上的Scaling现象告诉我们，如果电子－质 子的非弹散射是由于电子与质子内部的许多类 点成分发生不相干的弹性散射所引起的，那么 Scaling现象就自然发生。人们将这些类点组成 分称为部分子(Parton)。
➢ 这样，电子和质子内的点Parton相互作用发生 弹性散射就成为电子－质子深度非弹散射的基 本过程。
夸克禁闭和渐近自由
美《科学》杂志评出08年十大科学进展
➢ 在对细胞重新编程“定制”细胞系方面，开启了一个生物学 研究新领域。
➢ 第一次直接观测到了太阳系外围绕其他恒星运转的行星。
➢ 癌症基因名单扩充。
➢ 发现了一类全新的以铁化合物为基础的高温超导材料 。
➢ 看”到了蛋白质如何与目标结合，然后转换细胞的代谢状 态，起到促成某一组织特性的作用。
➢ 发现了一种有应前景的新工具，能够把风能、太阳能发电 等所产生的过剩电能进行规模化存储，迈向可再生能源。
➢ 胚胎视频：研究人员对发育中的胚胎内部细胞进行了史无 前例的细致观察。
➢ 研究发现“好脂肪”工作过程，他们可以将“好脂肪”转变为 肌肉，反之亦然。
➢ 计算物质世界的重量：物理学家最新的计算数据表明，标 准模型非常准确地预测了质子和中子的质量。
n(udd)
p(uud)
*-
0
*+
(dds) *(dss)
(uds) (uus) *0 (uss)
-(dds)
0 (uds) + (uus)
0
I3
- (sss)
质量公式预言 m- 1670 MeV 实验 m- 1672夸.克4禁5闭和渐0近.自2由9 MeV
-(dss)
0(uss)
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➢ 1977年发现了b夸克，1995年发现了t夸克。
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三代费米子
夸 克
uc ds
t轻 子
b
e e
一直到1995年，费米实验室发现顶夸克 总共发现了三代夸克、三代轻子(48)。 在它们之间传递相互作用的是规范玻色子(12)
夸克禁闭和渐近自由
九十年代末美国和日本化巨资建造了B介子工 厂就是为了寻找在B介子中CP不守恒现象。此后几 年来两个B介子工厂的实验(美国的BaBar和日本的 Belle)证实了他们提出的CKM矩阵（KM是 Kobayashi-Maskawa的缩写，C是意大利科学家 Nicola Cabibbo的代称）。
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物质结构的层次
原子→原子核物理→粒子物理(高能物 理)
粒子物理就是研究物质结构的最小组成成份 (夸克、轻子)及其基本相互作用(电磁、弱、 强相互作用)规律的科学。
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ห้องสมุดไป่ตู้.渐近自由--量子色动力学理论 (Quantum Chromodynamics (QCD))
➢ 色自由度引入 1972 color Gell-Mann 1964 Greenberg 1965-66 层子模型
Para统计
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2 - 5 GeV 强子 R 值测 量
4040
3770
4160 4415
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R/R(%)
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线性势+库仑势
线性势夸克禁闭
Kr r
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➢ 1973年Kobayashi-Maskawa在日本学术刊物”理论 物理进展”（Progress of Theoretical Physics）发 文指出如果自然界中还存在（至少）第三代夸克 (顶夸克t和底夸克b )，微观粒子系统中的CP破坏现 象就可以得到解释。从而预言了底夸克b和顶夸克t 的存在并为实验所证实。他们还认识到B介子(包含 b夸克的介子)有可能是研究CP对称性破坏的最理想 的场所。发现对称性破缺的来源并预言了自然界至 少存在三代夸克。
BES前:
15-20
BES(total):
6.6
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1967-1968 深度非弹中的 scaling渐近自由。
Friedman,Kendall,Taylor 1990 Nobel Prize Quark-parton model Feynman, Bjorken, …
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➢ 更快、更廉价的基因夸克组禁闭测和渐近序自由
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2008年度诺贝尔物理学奖
南部阳一郎(1921年生)
小林诚(1944年生)
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益川敏英(1940年生)
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深层次物质结构两大特点
量子色动力学理论—强相互作用基本理论。夸克 和胶子及其相互作用的理论