11.4: 夸克斯
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- 201946
在本节结束时，您将能够：
- 比较和对比六个已知夸克
- 使用强子的夸克成分来确定这些粒子的总电荷
- 解释夸克存在的主要证据
20 世纪 60 年代，粒子物理学家开始意识到强子 不是基本粒子，而是由称为 夸克的粒子组成的。 （“夸克” 这个名字是由物理学家 默里· 盖尔曼根据詹姆斯·乔伊斯小说《芬尼根的觉醒》中的一句话创造的。） 最初，人们认为只有三种夸克，分别是 u p (u)、d own (d) 和 奇怪 (s)。 但是，这个数字很快增加到 六个（有趣的是，与轻子的数量相同），包括 charmed（c）、bott om（b）和 顶部（t）。
所有夸克都是自旋半费密子\((s = 1/2)\)，具有 分数电荷\((1/3\)或\(2/3 e)\)，并且有重子数 \(B = 1/3\)。 每个夸克都有一个质量相同但电荷和重子数 相反的反夸克。 表中列出了 六夸克的名称和属性。
| 夸克 | 电荷（ e 单位） | 旋转 | 重子 数 | 陌生 数 |
|---|---|---|---|---|
| 向下 (d) | - 1/3 | 1/2 | 1/3 | 0 |
| 向上 (u) | + 2/3 | 1/2 | 1/3 | 0 |
| 奇怪 | - 1/3 | 1/2 | 1/3 | - 1 |
| 吊饰 (c) | + 2/3 | 1/2 | 1/3 | 0 |
| 底部 (b) | - 1/3 | 1/2 | 1/3 | 0 |
| 上衣 (t) | + 2/3 | 1/2 | 1/3 | 0 |
夸克组合
如前所述，夸克以两 三个为一组的形式结合在一起形成强子。 重子由三个夸克形成。 表 中给出了样本重子，包括夸克含量和属性。 有趣的是，delta plus (\(\Delta^+\)) 重子是由与质子相同的三个夸克 形成的，但粒子的总自旋 为 3/2 而不是 1/2。 同样，自旋 3/2 的 \(\Delta^+\)质量是质子质量的 1.3 倍，自旋 3/2 的 delta zero (\(\Delta^0\)) 重子是中子质量的 1.3 倍 。 显然，与粒子的自旋 （或角动量）相关的能量为其质量 能量做出了贡献。 同样有趣的是，据信顶级夸克不 存在重子，因为顶级夸克衰减得太快，无法在生产中与其他夸克结合 。
| 姓名 | 符号 | 夸克 | 电荷（以 e 为单位） | 旋转 | 弥撒 \((GeV/c^2)\) |
|---|---|---|---|---|---|
| 质子 | p | uu u d | 1 | 1/2 | \ (gev/c^2)\)” style= “text-align: center;” class= “lt-phys-4557” > 0.938 |
| 中子 | n | ud d d | 0 | 1/2 | \ (gev/c^2)\)” style= “text-align: center;” class= “lt-phys-4557” > 0.940 |
| Delta plus | \(\Delta^{++}\) | uu u u u | 2 | 3/2 | \ (gev/c^2)\)” style= “text-align: center;” class= “lt-phys-4557” > 1.232 |
| 达美加号 | \(\Delta^+\) | uu u d | 1 | 3/2 | \ (gev/c^2)\)” style= “text-align: center;” class= “lt-phys-4557” > 1.232 |
| 零三角洲 | \(\Delta^0\) | ud d d | 0 | 3/2 | \ (gev/c^2)\)” style= “text-align: center;” class= “lt-phys-4557” > 1.232 |
| 增量减去 | \(\Delta^-\) | d d d | -1 | 3/2 | \ (gev/c^2)\)” style= “text-align: center;” class= “lt-phys-4557” > 1.232 |
| Lambda 零 | \(\Lambda^0\) | ud s | 0 | 1/2 | \ (gev/c^2)\)” style= “text-align: center;” class= “lt-phys-4557” > 1.116 |
| 正西格玛 | \(\Sigma^+\) | 哦你是 | 1 | 1/2 | \ (gev/c^2)\)” style= “text-align: center;” class= “lt-phys-4557” > 1.189 |
| 中性西格玛 | \(\Sigma^0\) | ud s | 0 | 1/2 | \ (gev/c^2)\)” style= “text-align: center;” class= “lt-phys-4557” > 1.192 |
| 负 xi | \(\Xi^-\) | s d s | -1 | 1/2 | \ (gev/c^2)\)” style= “text-align: center;” class= “lt-phys-4557” > 1.321 |
| 中立 xi | \(\Xi_0\) | 你是吗 | 0 | 1/2 | \ (gev/c^2)\)” style= “text-align: center;” class= “lt-phys-4557” > 1.315 |
| 欧米茄减去 | \(\Omega^-\) | s s s | -1 | 3/2 | \ (gev/c^2)\)” style= “text-align: center;” class= “lt-phys-4557” > 1.672 |
| 迷人的 lambda | \(\Lambda_{C+}\) | u d c | 1 | 1/2 | \ (gev/c^2)\)” style= “text-align: center;” class= “lt-phys-4557” > 2.281 |
| 迷人的底部 | \(\Lambda_{b0}\) | u d b | 0 | 1/2 | \ (gev/c^2)\)” style= “text-align: center;” class= “lt-phys-4557” > 5.612 |
介子由两个夸克构成，即夸克-反夸克对。 表中给出了样本 介子，包括夸克含量和属性 \(\PageIndex{3}\)。 考虑一下介子的形成（\ (\ pi^+ = u\ overline {d}\)）。 根据其夸克含量， pion 的冲锋是
\[\dfrac{2}{3}e + \dfrac{1}{3}e = e. \nonumber \]
两个夸克都是 spin-half (\(s = \dfrac{1}{2}\))，因此 合成的自旋要么是 0 要么是 1。 \((\pi^+)\)介子的自旋 为 0。 同样的 quark-antiquark 组合赋予了 rho (\(\rho\)) 介子自旋 1。 这个介子的质量大约是\(\pi^+\)介 子的5.5倍。
表明 Table f\(\PageIndex{2}\) or\(\Xi^0\) 中给出的夸克成分与该重子的已知电荷、自旋和 陌生度一致。
策略
\(\Xi^0\)由两个奇怪的夸克和一个向上夸克 （s u s）组成。 我们可以将夸克的特性相加来 预测重子由此\(\Xi^0\)产生的属性。
解决方案
s 夸克的冲锋是\(-e/3\)，u quark 的冲锋是 2 e /3。 因此，该组合（s u s）没有净费用，这与已知的费用一致 \(\Xi^0\)。 由于三个自旋\(-1/2\)夸克可以组合产生自旋 为 1/2 或 3/2 的粒子，因此夸克的成分与已知的自旋 (\(s = 1/2\)) 一致\(\Xi^0\)。 最后， (s u s) 组合的净奇异之处是\ ((-1) + 0 + (-1) = -2\)，这也与实验一致。
意义
\(\Xi^0\)粒子的电荷、自旋和奇异度 可以根据其组成夸克的特性来确定。 重子和介子的 巨大多样性可以追溯到只有六个夸克 的特性：向上、向下、冲锋、奇怪、顶 部和底部。
介子的重子数是多少？
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颜色
夸克是服从 保利排除原则的费密子，因此得知 三个夸克可以在原子核内结合在一起可能会令人惊讶。 例如，质子 内的同一个小空间区域 怎么能存在两个向上的夸克？ 解决方案是发明第三个新属性来 区分它们。 这种特性被称为 颜色，它在强核相互作用 中的作用与电荷在电磁 相互作用中的作用相同。 出于这个原因，夸克颜色有时被称为 “强电荷”。
夸克有三种颜色：红色、绿色和蓝色。 （这些 只是标签，夸克实际上不是彩色的。） 每种夸克 \((u, \, d, \, c, \, s, \, b, \, t)\)可以拥有任何其他颜色。 例如，存在三个奇怪的夸克：一个红色的奇怪夸克、一个 绿色的奇怪夸克和一个蓝色的奇怪夸克。 Antiquarks 有 防色功能。 结合在一起形成强子（重子和 介子）的夸克必须是中性、无色或 “白色”。 因此， 重子必须包含红色、蓝色和绿色夸克。 同样，介子 包含红反红、蓝反蓝或绿色反绿 夸克对。 因此，在强子中可以找到两个处于相同自旋状态 的夸克，而不会违反保利的排除原则，因为 它们的颜色不同。
夸克监禁
夸克存在的第一个有力证据来自 1970年左右在斯坦福直线 加速器中心（SLAC）和欧洲核子研究组织（CERN）进行的一系列实验。 该实验旨在探测质子的结构，就像 卢瑟福通过 \(\alpha\)粒子散射实验研究原子内部的结构一样。 电子 与能量超过 20 GeV 的质子碰撞。 在这个能量下，\ (E \ 大约 pc\)，所以电子的 de Broglie 波长为
\ [\ lambda =\ dfrac {h} {p} =\ dfrac {hc} {E}\ 大约 6\ times 10^ {-17} m。\ nonumber\]
电子的波长远小于质 子的直径（大约\(10^{-15} m)\)。 因此，就像 穿越落基山脉的汽车一样，电子可以用来 探测原子核的结构。
SLAC 实验发现，一些电子以 非常大的角度偏转，这表明 质子内部的散射中心很小。 散射分布与电子 从自旋 1/2（夸克自旋）的位点散射一致。 欧洲核子研究组织的 实验使用中微子代替电子。 该 实验还发现了微小散射中心的证据。 在这 两个实验中，结果都表明 散射粒子的电荷要\(+2/3e\)么是夸克模型\(-1/3 e\)，要么与夸克模型 一致。
观看此视频，了解有关夸克的更多信息。
质子和中子是由 三个夸克组成的，对吧？ 错了！ 探索你小时候他们应该 告诉你的粒子！
夸克模型在组织 复杂的亚原子粒子世界方面非常成功。 但有趣的是，从来没有 实验产生过孤立的夸克。 所有夸克都有 分数电荷，因此应该很容易与已知的基本粒子区 分开来，后者的电荷都是 e 的 整数倍。 为什么没有 观察到孤立的夸克？ 在当前的粒子相互作用模型中，答案是用夸克限制来 表示的。 夸克限制是 指将夸克分成两三组限制在一个很小的空间 区域内。 夸克完全可以在 这个空间中自由移动，可以发送和接收胶子（强 力载体）。 但是，如果这些夸克彼此偏离得太远， 则强大的力量会将它们拉回来。 这个动作被比作 bola，一种用于狩猎的武器（图\(\PageIndex{1}\)）。 石头用绳子绑在中心点上，因此任何一 块岩石都无法与其他岩石移动得太远。 bola 对应于 重子，石头对应夸克，绳子对应 于将系统固定在一起的胶子。
