11.4: 夸克斯

学习目标

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。

表$\PageIndex{1}$：Baryon Quarks

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 。

表$\PageIndex{2}$：Baryon Quarks

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。

示例$\PageIndex{1}$: Quark Structure

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。

练习$\PageIndex{1}$

介子的重子数是多少？

回答

0

表$\PageIndex{3}$：Meson Quarks

姓名	符号	夸克	充电 (e)	旋转	弥撒$(GeV/c^2)$
阳性介子	$\pi^+$	$u\overline{d}$	1	0	\ (gev/c^2)\) “>0.140
阳性 rho	$\rho^+$	$u\overline{d}$	1	1	\ (gev/c^2)\) “>0.768
负离子	$\pi^-$	$\overline{u}d$	-1	0	\ (gev/c^2)\) “>0.140
负面的 rho	$\rho^-$	$\overline{u}d$	-1	1	\ (gev/c^2)\) “>0.768
中立狮子	$\pi^0$	$\overline{u}u$或者 $\overline{d}d$	0	0	\ (gev/c^2)\) “>0.135
中性茶	$\eta^0$	\ (\ overline {u} u,\, \ overline {d} d\) 或$\overline{s}s$	0	0	\ (gev/c^2)\) “>0.547
积极的 kaon	$K^+$	$u\overline{s}$	1	0	\ (gev/c^2)\) “>0.494
中立的 kaon	$K^0$	$d\overline{s}$	0	0	\ (gev/c^2)\) “>0.498
负数 kaon	$K^-$	$\overline{u}s$	-1	0	\ (gev/c^2)\) “>0.494
J/Psi	$J/\psi$	$\overline{c}c$	0	1	\ (gev/c^2)\) “>3.10
Charmed eta	$\eta_0$	$c\overline{c}$	0	0	\ (gev/c^2)\) “>2.98
中性 D	$D^0$	$\overline{u}c$	0	0	\ (gev/c^2)\) “>1.86
中性 D	$D^{*0}$	$\overline{u}c$	0	1	\ (gev/c^2)\) “>2.01
阳性 D	$D^+$	$\overline{d}c$	1	0	\ (gev/c^2)\) “>1.87
中性 B	$B^0$	$\overline{d}b$	0	0	\ (gev/c^2)\) “>5.26
Upsilon	$\Upsilon$	$b\overline{b}$	0	1	\ (gev/c^2)\) “>9.46

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。

什么是夸克？ 糖版！

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。

图$\PageIndex{1}$：重子类似于 波拉，一种用于狩猎的武器。 此图中的岩石 对应于重子夸克。 夸克可以自由移动，但必须 保持与其他夸克的距离。