基本粒子關(guān)系

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1、基本粒子關(guān)系 強(qiáng)子就是參與強(qiáng)相互作用的粒子， 可以分為介子和重子， 目前粒子物理的夸克模 型認(rèn)為介子是由夸克和反夸克組成，重子則有三個(gè)夸克（或者反夸克）組成，重 子可以再分為核子 （包括質(zhì)子和中子） 和超子 （因?yàn)橘|(zhì)量超過核子的質(zhì)量而得名） 電子和中微子等屬于輕子，不參與強(qiáng)相互作用。 目前粒子物理認(rèn)為輕子，夸克等沒有結(jié)構(gòu)，是點(diǎn)粒子。 電子質(zhì)子等粒子帶有電荷， 帶電粒子之間可以發(fā)生電磁相互作用， 而電磁作用場(chǎng) 的量子是光子，即帶電粒子之間通過交換光子而發(fā)生相互作用。 夸克帶有顏色（或者色荷），夸克之間，夸克和膠子之間，膠子之間，可以發(fā)生 色相互作用，而色相互作用場(chǎng)的量子是膠子。

2、 光子和膠子都是傳遞相互作用的媒介粒子， 目前認(rèn)為它們也沒有結(jié)構(gòu)， 是個(gè)點(diǎn)粒 子。 第一類：純單個(gè)粒子，中微子，電子，大統(tǒng)一粒子，夸克。 第二類：由兩個(gè)基本粒子合成的粒子，如 冗介子，W、Z玻色子。 第三類：由三個(gè)基本粒子合成的粒子，如：中子，質(zhì)子及其它強(qiáng)子。 第一類粒子中的大統(tǒng)一粒子不能游離態(tài)存在，它們必須二個(gè)并存，構(gòu)成了 冗介 子，和 W 玻色子。（特別注意的是，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)理論完全不同，為什么要這 樣猜想呢？你如果接著往下看就明白了。 ） 第一類中的夸克也不能單獨(dú)存在， 它們必須三個(gè)并存在，構(gòu)成了質(zhì)子與中子等強(qiáng)子 0 | 評(píng)論 1. 強(qiáng)子和輕子是構(gòu)成世界萬(wàn)物的兩個(gè)

3、基本類別 ①?gòu)?qiáng)子： 由夸克組成的粒子。 兩個(gè)夸克組成的強(qiáng)子叫介子； 三個(gè)夸克組成的強(qiáng) 子叫重子。所以，不管是介子還是重子，都是強(qiáng)子。與之對(duì)應(yīng)的是輕子。 ②輕子：目前已知的的輕子有三代，包括 電子及電子中微子、繆子及繆子中 微子、 tau 子及 tau 子中微子。輕子之所以叫輕子，主要是因?yàn)檩p子一直到現(xiàn)在 都沒有發(fā)現(xiàn)其有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，認(rèn)為輕子是點(diǎn)粒子。 2. 膠子是傳遞強(qiáng)相互作用的傳播子。強(qiáng)相互作用的粒子，即強(qiáng)子是有夸克組成， 夸克和夸克之間形成的介子或者重子就是靠夸克間的膠子相互傳遞從而耦合在 一起的。 3. 根據(jù)色禁閉理論， 單獨(dú)的夸克是不存在的， 而膠子是傳播子， 嚴(yán)格意義上

4、將， 比較兩者的大小根本沒有任何意義， 因?yàn)閱为?dú)的夸克不存在， 存在的夸克都以介 子或強(qiáng)子而存在。 沒法和膠子進(jìn)行定量的比較。 膠子沒有固定的尺寸， 膠子和光 子一樣， 都是傳播子， 只不過膠子傳播強(qiáng)相互作用力， 而光子傳播電磁相互作用 力。 發(fā)給我自己 .. 強(qiáng)子，重子，介子，中微子，輕子 2008-07-13 23:55 強(qiáng)子提供強(qiáng)相互作用的介子 質(zhì)子、中子里有些什么質(zhì)子、中子里有些什么 對(duì)強(qiáng)子結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)模型研究的一再成功已表明夸克和色場(chǎng)是強(qiáng)子世界的最基本 組成部分．盡管如此，強(qiáng)子物理還存在一些懸而未決的困難，如夸克幽禁、質(zhì)子 自旋危機(jī)、質(zhì)子衰變等． 一、質(zhì)子、中子

5、不是點(diǎn)狀粒子 對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索是科學(xué)的重要任務(wù)， 自從有人類出現(xiàn)， 這種探索從來(lái)沒有停 止過．在 19 世紀(jì)，人們逐漸弄清楚物質(zhì)是由分子原子構(gòu)成的． 1932 年查德威克發(fā)現(xiàn)了中子， 人們認(rèn)識(shí)到原子核應(yīng)由質(zhì)子和中子構(gòu)成． 人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究就如剝筍一樣層 層盤剝下去， 每一個(gè)層次的發(fā)現(xiàn)， 都是對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的深化． 在原子核層次下 面，質(zhì)子和中子是否還有其內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢？ 質(zhì)子和中子不是點(diǎn)粒子，它們都具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)．在 30 年代，理論物理學(xué)家認(rèn)為 作為核子的質(zhì)子和中子是基本粒子， 應(yīng)該象點(diǎn)粒子， 根據(jù)狄拉克的相對(duì)論性波動(dòng) 方程，質(zhì)子的磁矩是一個(gè)單位核磁子，中子由于不帶電，因而

6、磁矩是零．但出乎 意料的是， 實(shí)驗(yàn)家斯特恩測(cè)得的質(zhì)子磁矩卻為 5.6 個(gè)單位核磁子， 中子磁矩也不 是零，而是 -3.82 個(gè)單位核磁子，與點(diǎn)粒子理論相悖．這些都清楚地說(shuō)明質(zhì)子、 中子并不是我們想象的那樣簡(jiǎn)單，它們可能是具有內(nèi) 部結(jié)構(gòu)的． 60 年代，霍夫斯塔特等人用高能電子轟擊核子，證明核子電荷呈彌 散分布，核子的確具有內(nèi)部結(jié)構(gòu) [1] ．既然核子并不是點(diǎn)粒子，那么其內(nèi)部的物 質(zhì)是怎樣分布的呢？也許有三種情形： 或者核子內(nèi)有一個(gè)硬核， 核子象一枚桃子； 或有許多顆粒，象石榴一樣有許多子；或沒有顆粒，疏松如棉絮狀．具體屬哪一 種情形，要靠深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)來(lái)作進(jìn)一步?jīng)Q定． 深

7、度非彈性散射實(shí)驗(yàn)指用極高能電子去撞擊質(zhì)子或中子， 使后者激發(fā)到一個(gè)個(gè)分 立的能級(jí)即共振態(tài)，甚至達(dá)到使 冗介子離化出來(lái)的連續(xù)激發(fā)態(tài).非彈性散射實(shí) 驗(yàn)會(huì)改變質(zhì)子、中子的靜止質(zhì)量．實(shí)驗(yàn)表明，質(zhì)子、中子內(nèi)部有一個(gè)個(gè)點(diǎn)狀的準(zhǔn) 自由的粒子， 它們攜帶有一定動(dòng)量和角動(dòng)量． 那么質(zhì)子、 中子內(nèi)的這些點(diǎn)狀粒子 是什么呢？具有些什么性質(zhì)？ 二、夸克模型 1964 年，美國(guó)科學(xué)家蓋爾曼 . 提出了關(guān)于強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型．強(qiáng)子是粒子分類 系統(tǒng)的一個(gè)概念， 質(zhì)子、 中子都屬于強(qiáng)子這一類． “夸克”一詞原指一種德國(guó)奶 酪或海鷗的叫聲． 蓋爾曼當(dāng)初提出這個(gè)模型時(shí)， 并不企求能被物理學(xué)家承認(rèn)， 因 而它就用

8、了這個(gè)幽默的詞．夸克也是一種費(fèi)米子，即有自旋 1/2 ．因?yàn)橘|(zhì)子中子 的自旋為 1/2 ，那么三個(gè)夸克，如果兩個(gè)自旋向上，一個(gè)自旋向下，就可以組成 自旋為 1/2 的質(zhì)子、 中子． 兩個(gè)正反夸克可以組成自旋為整數(shù)的粒子， 它們稱為 介子，如冗介子、J/巾子，后者由丁肇中等人于1974年發(fā)現(xiàn)，它實(shí)際上是由 粲夸克和反粲夸克組成的夸克對(duì)． 凡是由三個(gè)夸克組成的粒子稱為重子， 重子和 介子統(tǒng)稱強(qiáng)子， 因?yàn)樗鼈兌紖⑴c強(qiáng)相互作用， 故有此名． 原子核中質(zhì)子間的電斥 力十分強(qiáng)，可是原子核照樣能夠穩(wěn)定存在，就是由于強(qiáng)相互作用力（核力）將核 子們束縛住的.由夸克模型，夸克是帶分?jǐn)?shù)電荷的，每個(gè)夸克

9、帶 +2/3e或-1/3e 電荷（ e 為質(zhì)子電荷單位）．現(xiàn)代粒子物理學(xué)認(rèn)為，夸克共有 6 種（味道），分 別稱為上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、頂夸克、底夸克，它們組成了所有的 強(qiáng)子， 如一個(gè)質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成， 一個(gè)中子由兩個(gè)下夸克和一 個(gè)上夸克組成，則上夸克帶 +2/3e 電荷，下夸克帶 -1/3e 電荷．上、下夸克的質(zhì) 量略微不同．中子的質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量略大一點(diǎn)點(diǎn)，過去認(rèn)為可能是由于中子、 質(zhì)子的帶電量不同造成的， 現(xiàn)在看來(lái)， 這應(yīng)歸于下夸克質(zhì)量比上夸克質(zhì)量略大一 點(diǎn)點(diǎn)． 質(zhì)子和中子的組成：一個(gè)質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克 組成，一個(gè)中子由兩 個(gè)下夸克和

10、一個(gè)上夸克組成． 雖然夸克模型當(dāng)時(shí)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(rèn)為，象Q-和A++這樣的重子可以由三個(gè)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(jí)上存在有三個(gè)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(shuō)的是兩個(gè)費(fèi)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(fèi)米子，當(dāng)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(shuō)三個(gè)夸克全同嗎？那我給它們來(lái)個(gè)編號(hào)或著上“顏色”（紅、黃、藍(lán)）， 那三個(gè)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

11、概念． 當(dāng)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(lái)， 每味夸克就有三種顏色， 夸克的種類一下子由原來(lái)的 6 種擴(kuò)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、仙 子、p子及其相應(yīng)的中微子）、規(guī)范粒子（如光子、三個(gè)傳 遞控制夸克輕子衰變的弱相互作用的中間玻色子、 八個(gè)傳遞強(qiáng) （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(shí)驗(yàn)的支持，在 70 年代發(fā)展成為強(qiáng)相互作用的重要理論——量 子色動(dòng)力學(xué)． 三、量子色動(dòng)力學(xué)及其特

12、點(diǎn) “量子色動(dòng)力學(xué)”這一名稱聽起來(lái)有點(diǎn)可怕， 念起來(lái)有點(diǎn)拗口， 應(yīng)該這樣念： 量 子/ 色/ 動(dòng)力學(xué)． 這個(gè)理論認(rèn)為， 夸克是帶有色荷的， 膠子場(chǎng)是夸克間發(fā)生相互作 用的媒介． 這不禁讓我們想起電子是帶有電荷的， 傳遞電子間相互作用的媒介是 電磁場(chǎng)（光子場(chǎng)）．的確，關(guān)于電荷的動(dòng)力學(xué)我們?cè)缫延辛?，它叫“量子電?dòng)力 學(xué)”， 發(fā)展于三四十年代． 一般讀者對(duì)電磁相互作用都有點(diǎn)熟悉， 因此就以它為 例來(lái)理解質(zhì)子中子內(nèi)的色相互作用． 電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程的量子化就是量子電 動(dòng)力學(xué)， 具體地說(shuō)， 量子電動(dòng)力學(xué)就是研究電子和光子的量子碰撞 （即散射） 的， 自然，量子色動(dòng)力學(xué)是研究夸克和膠子的量

13、子碰撞的． 膠子是色場(chǎng)的量子，就象光子是電磁場(chǎng)的量子一樣．膠子和光子都是質(zhì)量為 0、 自旋為 1、傳遞相互作用的媒介粒子，都屬于規(guī)范粒子．兩個(gè)電子發(fā)生相互作用 是靠傳遞一個(gè)虛光子而發(fā)生的 （虛光子只在相互作用中間過程產(chǎn)生， 其能量和動(dòng) 量不成正比，不能獨(dú)立存在，在產(chǎn)生后瞬時(shí)就湮滅．由相對(duì)論知道，自由運(yùn)動(dòng)的 電子不能發(fā)射實(shí)光子， 但可以發(fā)射虛光子． 給予我們光明和熱能的是實(shí)光子， 它 的能量和動(dòng)量成正比，脫離源后，能獨(dú)立存在），自然，兩個(gè)夸克發(fā)生相互作用 是靠傳遞一個(gè)虛膠子而發(fā)生的． 虛膠子攜帶著一個(gè)夸克的部分能量和動(dòng)量， 交給 另一個(gè)夸克，于是兩個(gè)夸克就以膠子為紐帶發(fā)生了相互作用

14、．看到這里，我們 會(huì)說(shuō)， 不是重復(fù)了一下嗎？量子色動(dòng)力學(xué)可以由量子電動(dòng)力學(xué)依葫蘆畫瓢建立起 來(lái)， 真是太容易了！ 不過實(shí)際上沒有這么簡(jiǎn)單． 按群論的語(yǔ)言講， 電磁場(chǎng)是 U（ 1） 規(guī)范場(chǎng)，是一種阿貝爾規(guī)范場(chǎng)，群元可以交換，而膠子場(chǎng)是 SU（3）規(guī)范場(chǎng)，是一 種非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)， 群元不可以交換． 一般來(lái)說(shuō)， “非”總比“不非”要麻煩得 多.電荷只有一種，而色荷卻有三種（紅、黃、藍(lán)）；U（1）群的生成元只有一個(gè)， 就是1,所以光子只有一種，而 SU（3）群有八個(gè)生成元，一個(gè)生成元對(duì)應(yīng)一種膠 子，所以膠子共有八種；光子不帶電荷，而膠子場(chǎng)由于是非阿貝爾規(guī)范場(chǎng)，場(chǎng)方 程具有非線性項(xiàng)， 體

15、現(xiàn)了膠子的自相互作用， 因而膠子也帶色荷， 夸克發(fā)射帶色 的膠子， 自身改變顏色． 所以膠子場(chǎng)比電磁場(chǎng)復(fù)雜， 因而出現(xiàn)了許多不同尋常的 現(xiàn)象和性質(zhì)，其中最重要的恐怕要數(shù)“漸近自由”和“夸克幽禁”了． “漸近自由”說(shuō)的是兩個(gè)夸克之間距離很小時(shí)， 耦合常數(shù)也會(huì)變得很小， 以致夸 克可以看成是近自由的． 耦合常數(shù)變小是由于真空的反色屏蔽效應(yīng)引起的． 真空 中的夸克會(huì)使真空極化 （即它使真空帶上顏色） ， 夸克與周圍真空的相互作用導(dǎo) 致由真空極化產(chǎn)生的虛膠子和正反虛夸克的極化分布，最終效果使夸克色荷變 大，這稱為色的反屏蔽效應(yīng)（對(duì)于電荷，剛好相反，由于真空極化導(dǎo)致電荷吸引 反號(hào)電荷的虛

16、粒子，所以總電荷減少，這稱為電的屏蔽效應(yīng)．與它作比較，色的 反屏蔽效應(yīng)這一術(shù)語(yǔ)由此而來(lái)）．由于這一效應(yīng)，在離夸克較小距離上看來(lái)，大 距離的夸克比它帶的色荷多， 所以小距離上強(qiáng)作用相對(duì)而言變?nèi)趿耍?這就是所謂 “漸近自由”． 漸近自由是量子色動(dòng)力學(xué)的一項(xiàng)重要成果， 它使得高能色動(dòng)力學(xué) 可以用微擾理論計(jì)算． 但是在低能情形或者說(shuō)大距離情形， 由于耦合常數(shù)變強(qiáng)及 存在幽禁力，計(jì)算變得困難． 量子色動(dòng)力學(xué)可以預(yù)言小距離的“漸近自由”，但是對(duì)大距離的“夸克幽禁”， 量子色動(dòng)力學(xué)就無(wú)法預(yù)言了，這是量子色動(dòng)力學(xué)的困難． “夸克幽禁”說(shuō)的是夸克無(wú)法從質(zhì)子中逃逸出去．紅黃藍(lán)三色夸克組成無(wú)色態(tài)，

17、 強(qiáng)子都是無(wú)色的． 一旦夸克可以從質(zhì)子或強(qiáng)子中跑出來(lái)， 自然界就會(huì)存在帶色的 粒子 ; 帶色的粒子引起真空的進(jìn)一步極化，色荷之間的幽禁勢(shì)是很大的，整個(gè)真 空都帶上了顏色，能量很高，導(dǎo)致真空爆炸．實(shí)際這些都沒有發(fā)生，暗示自然界 不存在游離的夸克，那么我們會(huì)問：夸克倒底是一個(gè)數(shù)學(xué)技巧還是一個(gè)物理實(shí) 在？研究這一問題， 是對(duì)夸克模型的考驗(yàn)． 不過， 現(xiàn)在因?yàn)橐延辛丝淇舜嬖诘拈g 接證據(jù)， 物理學(xué)家相信夸克是應(yīng)該的確存在的． 夸克為什么要被幽禁起來(lái)， 物理 學(xué)家已提出了幾個(gè)理論． 有人提出口袋模型， 如認(rèn)為質(zhì)子是一只受真空擠壓的口 袋，可將夸克束縛住而逃不出來(lái)；有人提出了弦理論，認(rèn)為夸克綁

18、在弦的兩端， 而這條弦卻難以斷裂， 即使一旦斷裂， 斷裂處生成一對(duì)正反夸克， 原來(lái)的強(qiáng)子碎 裂為兩個(gè)新的強(qiáng)子， 從而自由的夸克從來(lái)不可能出現(xiàn)； 也有人說(shuō)， 既然膠子帶色 荷， 膠子之間也會(huì)有色磁吸引力， 從而色力線被拉緊呈平行狀， 就如一個(gè)帶電電 容器兩板因?yàn)橛衅叫械碾娏€因而彼此有吸引一樣， 夸克之間也有類似這種吸引 力；格點(diǎn)規(guī)范理論的面積定律證明夸克之間有線性禁閉勢(shì)存在； 90 年代中期塞 伯和威滕用他們發(fā)展的四維空間量子場(chǎng)論證明磁單極凝聚也會(huì)導(dǎo)致夸克幽禁． 關(guān) 于夸克幽禁的理論有許多，正好說(shuō)明了我們對(duì)強(qiáng)力的了解還不夠充分． 四、核子結(jié)構(gòu)圖象與核子衰變 對(duì)介子譜的研究表明

19、， 夸克之間除了由于單膠子交換引起的色庫(kù)侖力外， 還有色 禁閉力， 其勢(shì)是隨距離線性增長(zhǎng)的， 正如上面所說(shuō)， 雖然不清楚線性禁閉勢(shì)的來(lái) 源， 但可以認(rèn)為正是這個(gè)勢(shì)導(dǎo)致了夸克幽禁． 但是這一觀點(diǎn)也許要受到挑戰(zhàn)． 因 為用相對(duì)論性波動(dòng)方程解介子能譜， 發(fā)現(xiàn)在無(wú)窮遠(yuǎn)處波函數(shù)并不收斂至零， 而是 一個(gè)散射解． 這意味著我們應(yīng)探測(cè)到游離的夸克， 但實(shí)際并不如此． 那這些散射 解是怎么產(chǎn)生的呢？原來(lái)禁閉勢(shì)在無(wú)窮遠(yuǎn)處十分巨大， 以致擾動(dòng)真空導(dǎo)致正反夸 克產(chǎn)生． 實(shí)際沒有測(cè)到這些產(chǎn)生的夸克， 一個(gè)原因可能是大距離時(shí)夸克的質(zhì)量也 會(huì)變得十分巨大， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了線性勢(shì)， 抑制了真空擾動(dòng)產(chǎn)生正反夸克的能

20、力． 夸 克質(zhì)量會(huì)隨距離增大而增大， 可能可以用真空色電極化 （導(dǎo)致真空帶上顏色） 來(lái) 解釋． 真空色電極化使得色荷象滾雪球一樣越來(lái)越大， 夸克能量和質(zhì)量也相應(yīng)越 來(lái)越大，浸在真空中的單一夸克質(zhì)量巨大，真空沒有足夠的能量產(chǎn)生這些夸克， 也許這最終導(dǎo)致了夸克幽禁． 對(duì)于強(qiáng)子結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在對(duì)不同的能態(tài)用不同的理論模型來(lái)描述．基態(tài)質(zhì)子和中子， 可以用量子力學(xué)的薛定川方程求解， 強(qiáng)子質(zhì)量主要由夸克承擔(dān)；對(duì)于處于激發(fā)態(tài) 的共振粒子，弦模型比較成功，該模型認(rèn)為重子和介子的質(zhì)量和自旋主要由弦 （色 力線管）提供[10];對(duì)于更高能的強(qiáng)子激發(fā)態(tài)，由于真空色電極化十分強(qiáng)大，因 而強(qiáng)子質(zhì)量主要就是色電極化

21、質(zhì)量， 夸克的質(zhì)量和弦的質(zhì)量十分微小.現(xiàn)在對(duì)處 于不同能態(tài)的質(zhì)子、中子結(jié)構(gòu)還無(wú)法用一個(gè)統(tǒng)一的理論來(lái)描述. 上面討論的是質(zhì)子中子及其共振態(tài)的靜態(tài)性質(zhì)， 下面談一下它們的衰變問題.原 子核內(nèi)的質(zhì)子中子是穩(wěn)定的，但自由的中子是不穩(wěn)定的，壽命約為 11分鐘.中 子的質(zhì)量比質(zhì)子略大一些，因而可以有足夠的能量衰變?yōu)橘|(zhì)子，并放出一個(gè)電子 和一個(gè)電子型反中微子.在夸克水平上解釋這一過程，實(shí)際上就是：中子內(nèi)的一 個(gè)下夸克（帶-1/3e電荷）放出一個(gè)傳遞弱相互作用的中間玻色子 W- ,自身變成上夸克（帶+2/3e電荷），W又衰變?yōu)橐粋€(gè)電子和一個(gè)電子型反中微 子.由于質(zhì)子中子的重子數(shù)都為+1,輕子數(shù)為0,電子

22、和電子型中微子的重子數(shù) 為0,輕子數(shù)分別為+1和-1,所以這一過程重子數(shù)、輕子數(shù)都守恒.現(xiàn)在的粒子 物理標(biāo)準(zhǔn)模型（量子電動(dòng)力學(xué)、弱電統(tǒng)一理論、量子色動(dòng)力學(xué)）認(rèn)為重子數(shù)是守 包的，質(zhì)子已是最輕的重子，所以它不能再衰變?yōu)槠渌刈?，它是永恒?由于 人們面遇的物質(zhì)世界主要就是由重子組成的， 所以很容易相信質(zhì)子是永恒的.但 是有一種理論卻預(yù)言這種觀念是不對(duì)的，質(zhì)子會(huì)衰變成正電子和中性 冗介子， 重子數(shù)和輕子數(shù)并不絕對(duì)守恒.這種理論是大統(tǒng)一理論，它企圖把強(qiáng)、弱、電相 互作用統(tǒng)一起來(lái)，用一個(gè)耦合常數(shù)來(lái)描寫.大統(tǒng)一理論包含著標(biāo)準(zhǔn)模型，但比標(biāo) 準(zhǔn)模型來(lái)得更大，因而有更多的傳遞相互作用的規(guī)范玻色子. 雖然這

23、些規(guī)范玻色 子是一種超弱場(chǎng)的量子，但質(zhì)子中的下夸克卻會(huì)釋放這種規(guī)范玻色子， 自身變成 正電子，而質(zhì)子內(nèi)的一個(gè)上夸克吸收這個(gè)規(guī)范玻色子， 變成上夸克的反粒子（反 上夸克），這個(gè)反上夸克與質(zhì)子內(nèi)的另一個(gè)上夸克結(jié)合成中性 冗介子.由于引 起這種夸克一輕子轉(zhuǎn)化場(chǎng)十分弱，所以質(zhì)子雖然要衰變，但衰變壽命是很長(zhǎng)的， 大約為一千萬(wàn)億億億年，而我們的宇宙壽命也只有幾百億年， 所以質(zhì)子平均壽命 比宇宙壽命長(zhǎng)十萬(wàn)億億倍.在你一生當(dāng)中，你體內(nèi)的質(zhì)子只能衰變零點(diǎn)幾個(gè)， 不 必?fù)?dān)心質(zhì)子衰變會(huì)給我們的生活帶來(lái)什么不便.質(zhì)子衰變還只是一個(gè)理論預(yù)言， 實(shí)驗(yàn)的證明還沒有完全結(jié)束. 前面提到，質(zhì)子中的點(diǎn)粒子是夸克，實(shí)際上它

24、們還包括膠子和不斷產(chǎn)生、 湮滅的 海夸克.過去認(rèn)為質(zhì)子自旋為1/2,是由三個(gè)夸克提供的，而如今的研究卻不能 支持這一觀點(diǎn)，質(zhì)子中的三個(gè)夸克的總角動(dòng)量只占質(zhì)子自旋的 15%而大部分自 旋也許由膠子和海夸克承擔(dān).這被稱為“質(zhì)子自旋危機(jī)”，是個(gè)熱門課題. 五、簡(jiǎn)短總結(jié) 雖然膠子的存在證據(jù)也有了，頂夸克存在的證據(jù)也在 1995年找到了，但是對(duì)于 強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的研究和自由夸克的探索還需走更長(zhǎng)遠(yuǎn)的路.夸克幽禁的根本原因倒底 是線性禁閉勢(shì)的存在還是色電極化所致，夸克幽禁是暫時(shí)的還是永久的，值得繼 續(xù)研究.如果夸克是永久性禁閉的，強(qiáng)子永遠(yuǎn)是無(wú)色的，正應(yīng)了一句話：“色即 空，空即色. "孰是孰非，有待高能物理

25、及其理論的繼續(xù)發(fā)展. 強(qiáng)子（Hadron）是一種亞原子粒子，所有受到強(qiáng)相互作用影響的亞原子 粒子都被稱為強(qiáng)子。強(qiáng)子包括重子和介子。按現(xiàn)代的粒子物理學(xué)中的 標(biāo)準(zhǔn)模型理論而言，強(qiáng)子是由夸克、反夸克和膠子組成的。膠子是量 子色動(dòng)力學(xué)中的力子，它將夸克連在一起，強(qiáng)子是這些連接的產(chǎn)物。 強(qiáng)子-分類 分類 板又蛔展呼克MM，⑶.槌于歪口.以整溝， 塞孑田心汗%用上童子作三產(chǎn)喈無(wú)成三個(gè)爻十克組我.它 可用拈人h丸腳褊曲到端子攝的虹兩旺和一底產(chǎn)木 江5子一播嵋原于■,百國(guó)痔命業(yè)第捋. 沒個(gè)集一公摹無(wú)料一4我誓元由臣.它們E 的二易種.有高空射好與地沌三T相互值H1時(shí)總聲笠介干. 里碑《和

26、奇隹加迷干. 白多于三十3顯粉的萼克度反毒克明感拱H子為聶孑. 南棄J 一方苦克-氏等蘇悔械"類LH寸臣罐子. 強(qiáng)子 守個(gè)出肝干田電用M子. 按其組成夸克的不同，強(qiáng)子還可以分為: 1重子（ST子，中子，超子）.2介子球吉橫圈 1、重子 （Baryon） ：重子由三個(gè) 夸克 或三個(gè)反夸克組成，它們的自旋 總是半數(shù)的，也就是說(shuō)，它們是費(fèi)米子。它們包括人們比較熟悉的組 成原子核的質(zhì)子和中子和一般鮮為人知的超子 （Hyperon,比如△、A、 Z日和Q）,這些超子一般比核子重，而且壽命非常短。 2、介子 （Meson） ：介子由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成，它們的自旋 是 整數(shù)

27、 的，也就是說(shuō)，它們是玻色子。介子有許多種。在高空射線與 地球空氣相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生介子。 其它很稀有和奇怪的強(qiáng)子。 由多于三個(gè)但單數(shù)的夸克或反夸克組成類似重子的強(qiáng)子。 由多于一對(duì)夸克 -反夸克對(duì)組成的類似介子的強(qiáng)子。 完全由膠子組成的粒子。 介子的自旋（粒子的固有角動(dòng)量）量子數(shù)為整數(shù)（也稱玻色子） 重子的自旋量子數(shù)為半整數(shù)。 （也屬于費(fèi)米子） 質(zhì)子的自旋量子數(shù)為 半整數(shù) 1/2 ，并且參與強(qiáng)相互作用。所以質(zhì)子 屬于強(qiáng)子的一種。 目前發(fā)現(xiàn)的所有強(qiáng)子都滿足蓋爾曼-西島關(guān)系，即：S = 2 （Q-I 3） -B, S是奇異數(shù)，Q是電荷，13是同位旋，B為重子數(shù)。 p （vi

28、[Bnad? > r . \ / \ / \ \ ?MU / \ / \ * 三B”[ Ef?H） i tdS） 七如卦 /—\ / \ j i（jahuii.o> \ ? （du $ . 、量工回 ? - / \ rCdd.Du） / \ / 「七一重子及介子-八正道圈 強(qiáng)子-構(gòu)成 強(qiáng)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(qiáng)子具 有$由2「qq$（介子^f!$qqq$（重子）構(gòu)成。但是這種簡(jiǎn)單的構(gòu)成正受到 來(lái)自實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。無(wú)論是越來(lái)越多的無(wú)法歸類的強(qiáng)子態(tài)， 還是具 有無(wú)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

29、超越樸 素夸克模型構(gòu)成的新強(qiáng)子存在。膠球、多夸克態(tài)和混雜子是三種可 能的新強(qiáng)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(qiáng)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(duì)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(duì)于某些特定新強(qiáng)子性質(zhì)的研究。 在考慮了直接的瞬子效應(yīng)后，我 們?cè)赒CD求和規(guī)則的框架內(nèi)研究了 $0八{(lán)++}$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(biāo)量膠球衰變中的作用。 我們發(fā)現(xiàn)由于非微擾效應(yīng)，標(biāo)

30、量膠 球衰變過程中$SU(3)_f$對(duì)稱性是被很好保持的。我們也考慮了標(biāo)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(biāo)量膠球衰變會(huì)有較大的多強(qiáng)子末態(tài)分支比。 首先構(gòu)造了兩 個(gè)典型的$1八{(lán)-+}$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(gè)不同的$1八{(lán)-+}$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$1 八{(lán)-+}$和$0八{(lán)++}$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

31、出較穩(wěn)定的 $0八{(lán)++}$膠球的質(zhì)量預(yù) 言。 ■ ■ JE ■is目第 感■翼 n<- ,彳 a - tt* Y 7Tl |4*l ? , 1 * g 444 : 1 ■,如, \ Wr x ?3- ■* * It L \ 工工/ 1r i上 ft I ) 1 」i i lit 1 轉(zhuǎn)斗 111- l 帆* ,, FF- - l 士 \ /f-l fe i i 1 產(chǎn)fii二3十用 3| 一月 s皮 J h fl 2點(diǎn) --|汁 ■上q *11 V | * Vgy i i l i ■ ++1 1 41— J Z 電

32、1 3 1： T 二‘曾 月取 r* r 4 I i ■+, 產(chǎn)生工 / 二深 \ i11 **->1 J -1- / d; …■ J ” k F -1 V M" , ■t* ，"FT X jr r R \ *4*^ -k+*| …1, +“； 4- ? 聞日 ):X 夸克Of子)奧馨子^的封if性- 1964年，美國(guó)科學(xué)家蓋爾曼等人提出 夸克模型”。他們認(rèn)為，所有 的強(qiáng)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(guó)人則常常又稱它們?yōu)椤皩幼印薄ｎ櫭剂x，層 子是相對(duì)電子、質(zhì)子、中子這些基本粒子來(lái)說(shuō)的，它屬于下一層次

33、的粒子蓋爾曼等人認(rèn)為夸克帶 分?jǐn)?shù)電荷”,它們被禁閉在強(qiáng)子內(nèi)部， 不能脫離強(qiáng)子自由運(yùn)動(dòng)。 夸克模型出現(xiàn)之后，又有人提出夸克是物質(zhì)分割的極限。因?yàn)榭淇吮?禁閉在強(qiáng)子內(nèi)部，本身也無(wú)法直接觀察。然而，對(duì)大自然的好奇心， 促使人們對(duì)夸克是否還有 內(nèi)部結(jié)構(gòu)”這個(gè)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(duì)稱性。根據(jù)目前的理論，夸克可分為三代， 每代有兩種（不計(jì)反夸克），它們分別是（u,d）、（c, s）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”。 三代夸克圈

34、但是從1964年至今，人們還沒有 看到”過夸克的真實(shí)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(lái)說(shuō)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(dú)立存在， 它只能 像犯了錯(cuò)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(dāng)今粒子 物理學(xué) 的難題之一，這對(duì)哲學(xué)中關(guān)于物質(zhì)無(wú)限 可分的觀點(diǎn)，也是一次嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，物理學(xué)家為了尋找自由夸克，絞盡了腦汁。每當(dāng)一 臺(tái)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

35、， 夸克永遠(yuǎn)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(gè)口袋。 就是這個(gè)神秘的口袋， 似乎要把夸克同外界永遠(yuǎn)隔離開來(lái)。 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(dāng)自由，運(yùn)動(dòng)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(lái)。 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?yàn)楦鶕?jù)理論推測(cè)，夸克帶有所謂的 “分?jǐn)?shù)電荷 ”，這使

36、物 理學(xué)家看到了一線希望。他們認(rèn)為只要找到了 “分?jǐn)?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?jǐn)?shù)電荷 ” 的粒子。 目前探測(cè)夸克結(jié)構(gòu)和輕子結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)都在進(jìn)行中， 但未取得進(jìn)展。 考 慮到原子和原子核的線度相差 10 萬(wàn)倍， 因而可以預(yù)言夸克的結(jié)構(gòu)最 多只能在10-20米的尺度上顯示出來(lái)；但目前的實(shí)驗(yàn)只能探測(cè)到 10 -17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(gè)謎。［1］ 強(qiáng)子-結(jié)構(gòu)的層子模型 3層了模型“是燥f4揭研充的巾要升拓 鼾拉禰，中W

37、li-m上.江常文*L ：口&與"讓利寢球晚匚總工曜備 卜好也bmws冊(cè)后曜幻 1期都r a孑也卬r wifl Ft WF-隹袒宣了事建新HE ?<，忸gM用新藝世揖呻把可射仃到％ Uf JTA ff W - 卜,能*於HE箱拓喜**"題ECKS亂W座由曲I力*4 *貴國(guó)乩一事了47國(guó)W邕對(duì)菱淪。立期香5?.除/西蓋生的呈 HI里普受加工盤屯子在1H4&MK 上涼■世上總盤A軸的恚定 求的吊隴文4*?F. S祀TMEWWWH理工Mgfl：目 ,軍懦.導(dǎo)］

38、齡小 勺鬲父埃鴕.?本0相颼通（廣大.迎匿舊3瓶肝.褪例, 卜科五日本?E9t杷irmMSt ?孑中風(fēng)?1好\ 4 剛成■斷3曾承鼻五MOW JWI.也*度*1浦忖呼且可啊的fit 時(shí)MtfT #YRMk* . >AJWI14j*ztHMpwd ,第法西EC HTisff. ■?酎*擊中北子猿?日豈瓏門MV +即*力-番f 『”.虬，，斗1M硼粉.內(nèi)聯(lián)0k強(qiáng)子 強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的層子模型（以下簡(jiǎn)稱 層子模型”是在1965年9月到1966 年6月之間完成的。當(dāng)時(shí)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(rèn)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

39、20世紀(jì)40到50年代的陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，基本 粒子的家族迅速擴(kuò)大，這些粒子絕大部分是強(qiáng)作用粒子，簡(jiǎn)稱強(qiáng)子。 很難想像這么多的強(qiáng)子都是基本粒子。1955年日本物理學(xué)家坂田提 出了一個(gè)結(jié)構(gòu)模型：強(qiáng)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(qiáng)子。坂田模型存在一系列困難，但是所提出 的強(qiáng)子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的思想是正確的。1964年美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼 改造了坂田模型，提出了 “夸克模型 ”，認(rèn)為強(qiáng)子是由三種具有 SU(3) 對(duì)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(dá) 11/2 ，

40、并且實(shí)驗(yàn)上關(guān)于核子的 電磁形狀因子的測(cè)量說(shuō)明以前被認(rèn)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(shí)說(shuō)明了兩點(diǎn)，一是 “基本粒子 ”并不基本， 二是強(qiáng)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(qiáng)子結(jié)構(gòu)的科 學(xué)設(shè)想， 有待于進(jìn)一步發(fā)展為強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的科學(xué)理論。 但是在當(dāng)時(shí)發(fā)展 強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的理論有困難， 因?yàn)椴恢涝趶?qiáng)子內(nèi)部是否有新的力學(xué)規(guī)律 在起作用， 不知道強(qiáng)相互作用的具體形式， 不知道處理強(qiáng)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(duì)稱性能夠得出的強(qiáng)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(jìn)一 步的發(fā)展必須超出對(duì)稱性的范疇，引入動(dòng)力學(xué)起作用

41、的因素。 在當(dāng)時(shí)已知的最高能量下，物理實(shí)驗(yàn)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(shuō)在強(qiáng)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(qiáng)子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)波函數(shù)來(lái)描述強(qiáng)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(yùn)動(dòng)方程等則留待以后去討論， 一些嚴(yán)格的物 理要求如相對(duì)論洛倫茲協(xié)變性和內(nèi)部對(duì)稱性等已經(jīng)大大限制了波函 數(shù)可能具有的形式。 強(qiáng)子的組成及遵從的對(duì)稱性是否取夸克模型或坂 田模型的其他變種，所以后來(lái)按錢三強(qiáng)的建議把強(qiáng)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(gè)層次的意思。在引入波函數(shù) 以描

42、述運(yùn)動(dòng)著的強(qiáng)子時(shí)，他認(rèn)為應(yīng)當(dāng)區(qū)分描述內(nèi)部運(yùn)動(dòng)和整體運(yùn)動(dòng)的 兩個(gè)概念。通過對(duì)已知實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，他提出層子在強(qiáng)子內(nèi)部的運(yùn) 動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速，是非相對(duì)論性的，雖然強(qiáng)子的整體運(yùn)動(dòng)可以是相 對(duì)論性的。 彳吉橫圈 這樣，可以在強(qiáng)子的靜止坐標(biāo)系中定出非相對(duì)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(yùn)動(dòng)的強(qiáng)子的波函數(shù)。 在討論強(qiáng)子發(fā)生 轉(zhuǎn)化的過程時(shí)，朱洪元引入始態(tài)和終態(tài)強(qiáng)子結(jié)構(gòu)波函數(shù)的重疊積分的 概念和具有特定的對(duì)稱性的強(qiáng)子構(gòu)成組分（層子）之間的相互作用來(lái) 計(jì)算躍遷矩陣元，用以統(tǒng)一地描述一系列強(qiáng)子的轉(zhuǎn)化過程。 在這些概 念和方法的基礎(chǔ)上，由錢三強(qiáng)大力支持，朱洪元領(lǐng)導(dǎo)的粒子理論研究

43、集體系統(tǒng)地研究了強(qiáng)子的力學(xué)、電磁及幾何等靜態(tài)性質(zhì)，以及強(qiáng)子的 電磁衰變、弱衰變、強(qiáng)衰變等動(dòng)態(tài)過程。在九個(gè)月里，他們發(fā)表了 6篇科學(xué)論文，得到了一系列理論結(jié)果，其中許多和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。 有一些當(dāng)時(shí)沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在后來(lái)才得到實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。也有一些理論 結(jié)果與實(shí)驗(yàn)不合，有待后來(lái)的實(shí)驗(yàn)和理論工作的新進(jìn)展來(lái)解決。 層子模型”是強(qiáng)子結(jié)構(gòu)研究的一個(gè)重要開拓，它是在層子之間的動(dòng)力 學(xué)理論提出來(lái)之前的一個(gè)方向性的系統(tǒng)工作。 這個(gè)理論中提出的強(qiáng)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(qiáng) 相互作用的動(dòng)力學(xué)理論的建立，它們?cè)絹?lái)越細(xì)致地被確定下來(lái)。在 1 966年北京亞太科學(xué)討論會(huì)上，巴基

44、斯坦諾貝爾物理學(xué)得主薩拉姆高 度評(píng)價(jià)了這項(xiàng)工作。很可惜，朱洪元和中國(guó)粒子物理學(xué)家在理論上一 個(gè)很好的開頭被隨后十年的大破壞所打斷。 強(qiáng)子-多重?cái)?shù)分布的質(zhì)量效應(yīng) 強(qiáng)子多重?cái)?shù)分布的研究，從KNO標(biāo)度算起，已有30多年的歷史。 動(dòng)量分布的Feynman楊標(biāo)度被破壞后由平均標(biāo)度代替。重整化群方 程能夠證明KNO標(biāo)度,而且可得到多重?cái)?shù)與非彈性度服從 Kendall標(biāo) 度分布。KNO標(biāo)度的理論基礎(chǔ)是重整化群，是［CII 0］類半群對(duì)稱 性。強(qiáng)子動(dòng)量 多重?cái)?shù)關(guān)聯(lián)(S1/2=22?900GeV)的研究表明：粒 子 粒子碰撞產(chǎn)生3個(gè)發(fā)射源，a+br^NJ0+NJ1+NJ2 強(qiáng)子；由此確定 了基本強(qiáng)子發(fā)射源的

45、物理性質(zhì)(UAl數(shù)據(jù),TASSO數(shù)據(jù))。在這些研究 的基礎(chǔ)上，就可以討論多重?cái)?shù)分布對(duì)強(qiáng)子質(zhì)量的依賴了。多重?cái)?shù) N 被定義為末態(tài)強(qiáng)子的總和，具閾能(末態(tài)總質(zhì)量)EN=mt N% +m Nk +2 mp Np +…，顯然是重要的。多重?cái)?shù)分布同強(qiáng)子質(zhì)量產(chǎn)生有關(guān)。 目前，強(qiáng)子動(dòng)量 多重?cái)?shù)關(guān)聯(lián)(s =22?900 Ge V)的研究表明：粒 子粒子碰撞產(chǎn)生3個(gè)強(qiáng)子發(fā)射源，a + b J 0+NJ 1 +N J 2, 強(qiáng)子多重?cái)?shù)N = NJ 0 + NJ 1+NJ 2,并由此確定了基本強(qiáng)子發(fā)射 源的物理性質(zhì)(UAI數(shù)據(jù)，TASSO數(shù)據(jù))，Xt NA22的兀介子海鷗效 應(yīng)(Seagull efects)的詳

46、細(xì)分析，揭示出3個(gè)發(fā)射源的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力 學(xué)結(jié)構(gòu)， 確定了 J1 與 J2 的相對(duì)論多普勒 (Doppler) 效應(yīng)。 近年來(lái)的 C ERN(NA22) 實(shí)驗(yàn)研究又指出，不用質(zhì)量與電荷證認(rèn)數(shù)據(jù)，而得出的 動(dòng)力學(xué)結(jié)論是不完全的。為此，在這些研究的基礎(chǔ)上，才能討論多重 數(shù)分布對(duì)強(qiáng)子質(zhì)量的依賴性。 現(xiàn)在用質(zhì)量與 電荷 證認(rèn)數(shù)據(jù)來(lái)改進(jìn)多重 數(shù)分布的研究，從而得出動(dòng)力學(xué)結(jié)論。 1、 Bose 強(qiáng)子的倒易統(tǒng)計(jì)起伏 電荷強(qiáng)子多重?cái)?shù)N = N兀+ Nk+Np+N+…，在質(zhì)心能量s = 4?1800 G e V的區(qū)域，兀野子與K 圻子占85%?95%的比率。因 此，可近似考慮Bose強(qiáng)子數(shù)NB=Nt

47、+NK.Bose 強(qiáng)子平均多重?cái)?shù)〈N B〉滿足重整化群方程，即 D = 2tB (g R) D 2NB (1) 倒易統(tǒng)計(jì)起伏0cB = 2/D2NB,結(jié)合(1)式我們有一D 1=1 aB2TB (g R) (2) 禾I」用 CERN-ISR 數(shù)據(jù)(1978), UA5 數(shù)據(jù)(P s =540GeV , 1982)等資 料，我們得到強(qiáng)子 強(qiáng)子碰撞經(jīng)驗(yàn)公式為=m兀士ex p [ 0.052 /as] (3) 這里a s是QCD(味數(shù)nf=4)跑動(dòng)耦合常數(shù)，0cs = 0.48 / In ( s / AQ CD) , AQ C D=2m 兀士 對(duì)于 e+

48、 e-碰撞(3 )式變?yōu)?< m > = m 兀士(14 e x p [ 0.052/ as ] ) (4) 這就是說(shuō)，e+ e-碰撞比P碰撞多產(chǎn)生m兀/4勺質(zhì)量(s s=3?10Ge V)。Bose 強(qiáng)子平均質(zhì)量 =m 兀士 ex p [ 0.045 / % s ] ( s = 3GeV?20TeV)。只考慮兀巖K 坊子，Bose強(qiáng)子倒易統(tǒng)計(jì)起伏為 0cB = 2-2 (5) 則 %K = a 兀m B> — m 兀 MK— (6) 0cB = a 兀(MK — m 兀MK—) 2 (7) 這里％言％K分別是兀野子與K

49、坊子的倒易統(tǒng)計(jì)起伏。ocO兀=(1. 2710.09) 2是比較精確的實(shí)驗(yàn)值，其N 士兀的基本強(qiáng)子發(fā)射源中的分 布為<41兀>扛(：1 (TTldN7t = 24丫B — 1 / 2 r (3/2 —4丫B) ( B N 兀)1 + 瓜 y ( B 代兀 ) (8) 這里(3 兀弋H-2rB- (gR)],尸 1/2-4TB (gR),由 H ankel 積分公式 =3/2T (2-4TB) ? [ r (3/2 —4 丫 B) r (3/2) ] 2 ? R5/2 —4丫B) r (5/2) (9) 再利用黎曼t； (q x)函數(shù)與r(

50、x]R數(shù)的關(guān)系，可算出aj 士兀Q21 — 5 /2TB (g R) ] (10) 式(10)是基本強(qiáng)子發(fā)射源的倒易統(tǒng)計(jì)起伏。 對(duì)于 3 個(gè)源 (J0， J1 ， J2) ， Nx=NJ O+NJ 1+NJ 2,若J1與J2相同，則有 ％ 士兀守近兀 口 — (MK) 2(12) 這里Sw B>= —m兀，于是我們可得到：量子場(chǎng)反常維度— 任(g R) = 0.045, Smp=119MeV, 2=0.96 垃02。 2、高階積分關(guān)聯(lián)的質(zhì)量效應(yīng) 趙樹松教授曾證明％蠲足蘭道

51、(Landau)不等式，指出am a x兀=4, 這對(duì)積分關(guān)聯(lián)是很強(qiáng)的限制。積分關(guān)聯(lián) f 2 (gR, ) =D 2NB - = ( 1 -1) < NB >(13) 表達(dá)式（13）的結(jié)果與NA22數(shù)據(jù)、NA9數(shù)據(jù)（^ ）及W21數(shù)據(jù)（p , v p)相符合。兀+P與K+P碰撞產(chǎn)生K 野介子平均數(shù)分別為(HEN- 316/1988)< NK 少= 0.420 X.015 (K+P) , — (S< mB (兀+)

52、 >) ] (14) 其平均質(zhì)量差K + ) >) — (S)=MK< NB >5B) =0, s = 7.75GeV, 兀+P 數(shù)據(jù) f 2 (gK, B) =0, s= 7.07 GeV,由此實(shí)驗(yàn)質(zhì) 量效應(yīng)得到說(shuō)明。 奇斜度(skewness)的定義為 丫 1 (gR, ) =<(NB - ) 3> (

53、B>-2) 3/2(16) 這里，<(NB-) 3> = -3/, 2 + 2 3,于是我們有 丫 1( g R ) = % 廠2B [ 3—3% 及 1] (17) 由NB=NJB+NJ,將式(17)中的展開，考慮到(7)與(1 1)式，再令 aj B = (<(NJ B) 2>-) /D2NJ B,經(jīng) 整理可得 3 = < (NJ B) 3>3 [1 - 3< NB > (1 -3) +3

54、> ( 1 — ) X (1+1 aj B ) ] (18) 這里的％JB=%J兀*(1— B >/MK ,是基本強(qiáng)子發(fā)射源 的Bose強(qiáng)子的倒易統(tǒng)計(jì)起伏。因此< (NJ B) 3>3= (M K- MK-m 兀)3 [升 3 >2 (< NK >) +32 () 2+< NK >3 () 3] (19) 3= 23/B 3 兀。 r (3/2 —4 丫 B) ? 32 T (3/

55、2)《2 -4TB) ? K2 —4 丫B ) (20) 則 < (NJ B) 3>3弋(1 — B >MK) 3 [3 (2 + 2 丫 B) + 3 ( ) (1 + 1% 兀*](21) 比較(13)式與(17)?(21)式得知：三階積分關(guān)聯(lián)比二階積分關(guān)聯(lián)具有 更強(qiáng)的質(zhì)量效應(yīng)。 為此， 將作者的結(jié)果與 NA22 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行以下比 較：將(17)式中的％ B用實(shí)驗(yàn)值代替(因?yàn)?13)式與NA22實(shí)驗(yàn)值相符 合)，得到實(shí)驗(yàn)值/ 3 =2.298(1此14);將(21)式代 入(18)式，得到 3(1+2 TB ) (1— B

56、 >MK) 3X(1 + 0.06) = 2.298(1 =0.014)(22) 若一2 任(g K) =0.09,我們有 Sw B >/MK= 0.074 垃012。 按四階積分關(guān)聯(lián)峭度(Kurtosis)的定義為丫 2(g R, ) =<(N B - ) 4>< —2>4(23) 顯然 丫 2(g R, ) =%2B [4-4< NB >3+ 6 aB + 3 ] (24) 這里/3 與(18)式中相同 /3 = 2,298 (1 =0.14)(NA22實(shí)驗(yàn)

57、值)，0c B的表達(dá)式(12)的質(zhì)量效應(yīng)與實(shí)驗(yàn)精確符 合，因此集中研究/4并與NA22數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。 令N B=NJB+NJ,NJB為 J0源的Bose強(qiáng)子數(shù)。再令N J B = N兀(J0源 兀野子數(shù))，我們有4=(1— S MK) 4 [4+ 4 (< N 兀 >)3+ 6< N 2 兀 >2X () 22+4 () 3 (3) +4(

58、 兀>) 4] (25) 這里，/2= 1 + 1/% 砥 /2=1+1/ %J , %J 弋 ％ ,兀/=0.12(NA22 數(shù)據(jù))，4= 24/ p 2x0 r (3/2 —4 丫 B) - R3) - r/24TB) (26) 其數(shù)值結(jié)果為：/4 = 15(1+5.7任)/2,可得質(zhì)量 效應(yīng)的數(shù)值方程為(1 — 5MK) 4X15 O 2 (1+5.7 TB )= 3.246(1 016)(27

59、)由此得出： Sw B >/MK = 0.0298 X.0025 , 比丫 1 ( g R , < m B >)的(22)式所得值略小。 3、 結(jié)論 關(guān)于 KNO 標(biāo)度的爭(zhēng)論問題。認(rèn)為多重?cái)?shù)分布、 能量 、動(dòng)量分布及其 動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)中存在量子場(chǎng)反常維度的效應(yīng) (AD 效應(yīng) )，由多重?cái)?shù)分布 的NA22數(shù)據(jù)及UA5數(shù)據(jù)所確定的4丫B ( g R) =-(0.214及042), AD 效應(yīng)對(duì) KNO 標(biāo)度僅有微弱破壞。 根據(jù)短距離量子場(chǎng)(aqN) y Ky (aqNy函分布對(duì)多重?cái)?shù)分布的研究(包 括上述研究結(jié)果 ) ， 目前可能得出的結(jié)論如下。 1、AD效應(yīng)對(duì)q階積分關(guān)聯(lián)的影響較小，而質(zhì)

60、量效應(yīng)與[(MK- m 兀)/ (MK — ) ] q 成正比。 2、 KNO 標(biāo)度對(duì)基本強(qiáng)子發(fā)射源仍然成立，質(zhì)量效應(yīng)與 AD 效應(yīng)破壞 了 KNO 標(biāo)度，必須扣除。 3、由半群對(duì)稱性得到的蘭道不等式成立： %B<%mas=4, KNO標(biāo)度 的理論基礎(chǔ)是量子場(chǎng)論的重整化群方程， KNO標(biāo)度是半群對(duì)稱性的 表現(xiàn)。 4、短距離量子場(chǎng)的 兀價(jià)子數(shù)N%的分布（14）式符合有關(guān)全部數(shù)據(jù)， 特別是是NA22數(shù)據(jù)，（8）式與動(dòng)量、多重?cái)?shù)關(guān)聯(lián)中的有關(guān)性質(zhì)完 全相同。 5、三階積分關(guān)聯(lián)比二階積分關(guān)聯(lián)具有更強(qiáng)的質(zhì)量效應(yīng)。 由重整化群方程證明，KNO標(biāo)度是嚴(yán)格的。但是，這個(gè)方程是從微 擾

61、論得到的，而它對(duì)量子場(chǎng)論非微擾（解析）性質(zhì)，如QCD漸進(jìn)自由、 QED（量子電動(dòng)力學(xué)）紅外穩(wěn)定的研究結(jié)果已得到實(shí)驗(yàn)的肯定。用半群 算子（Seimigroup Operator）與偏微分方程的數(shù)學(xué)理論來(lái)研究G （N） a （gR, mR, P）的對(duì)稱性，可得出非微擾重整化群方程。 [2] 強(qiáng)子-相關(guān)的觀點(diǎn) 核子（強(qiáng)子）是夸克、膠子的束縛態(tài)，由量子色動(dòng)力學(xué)Q CD描述。 由于Q C D的基本特性（高能標(biāo)度下的漸近自由、低能標(biāo)度下色禁閉 及動(dòng)力學(xué)手征對(duì)稱性破缺），對(duì)核子（強(qiáng)子）結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的Q CD圖 象是標(biāo)度相關(guān)的，在高能標(biāo)度下描述強(qiáng)子的是與探測(cè)強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的硬過 程相聯(lián)系的Q CD部分子模型，

62、強(qiáng)子的夸克、膠子結(jié)構(gòu)信息通過Q C D部分求和規(guī)則得到，Q CD微擾論是適用的理論，在低能標(biāo)度時(shí)， 必須發(fā)展Q CD非微擾途徑來(lái)描述核子（強(qiáng)子）。 雖然夸克模型當(dāng)時(shí)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(rèn)為，象 Q-和A++a樣的重子可以由三個(gè)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(jí)上存在有三個(gè) 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(shuō)的是 兩個(gè)費(fèi)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(fèi)米子，當(dāng)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(shuō)三個(gè)夸克全同嗎？那我給它們來(lái)個(gè)編號(hào) 或著上顏色”（紅、

63、黃、藍(lán)），那三個(gè)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(dāng)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(lái)， 每味夸克就有三種顏色， 夸克的種類一下子由原來(lái)的 6 種擴(kuò)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、W子、可及其相應(yīng)的中微子）、規(guī)范粒子（如 光子、 三個(gè)傳遞控制夸克輕子衰變的弱相互作用的中間玻色子、 八個(gè) 傳遞強(qiáng)（色）相互作用的膠子）一起組成了大千世界?？?/p>

64、克具有 顏色 自由度的 理論得到了不少實(shí)驗(yàn)的支持， 在 70 年代發(fā)展成為強(qiáng)相互作 用的重要理論 —— 量子色動(dòng)力學(xué)。 1964年，美國(guó)物理學(xué)家默里 蓋爾曼和G.茨威格各自獨(dú)立提出了中 子、 質(zhì)子這一類強(qiáng)子是由更基本的單元 —— Quark 組成的。 它們具有 分?jǐn)?shù)電荷，是基本電量的 2/3 或-1/3 倍，自旋為 1/2?？淇艘辉~是蓋 爾曼取自詹姆斯 喬埃斯的小說(shuō)《芬尼根徹夜祭》的詞句 為馬克檢閱 者王，三聲夸克（ Three quarks for Muster Mark ） ”?？淇嗽谠摃? 中具有多種含義，其中之一是一種海鳥的叫聲。他認(rèn)為，這適合他最 初認(rèn)為 “基本粒子不

65、基本、基本電荷非整數(shù) ”的奇特想法，同時(shí)他也指 出這只是一個(gè)笑話，這是對(duì)矯飾的科學(xué)語(yǔ)言的反抗。另外，也可能是 出于他對(duì) 鳥類 的喜愛。 其他答案 （2） 亞原子粒子，按照參與基本相互作用的性質(zhì)可以分為： 強(qiáng)子 - 直接參與強(qiáng)相互作用的粒子，按照自旋量子數(shù)和重子數(shù)又可分為： 介子-自旋量子數(shù)為整數(shù)(0, 1, 2……)、重子數(shù)為0的強(qiáng)子 重子-自旋量子數(shù)為半奇數(shù)(1/2 , 3/2 , 5/2……)、重子數(shù)為+1或者-1 的強(qiáng)子 輕子 - 不直接參與強(qiáng)相互作用的粒子 規(guī)范玻色子 - 傳遞基本相互作用的媒介粒子 以及：一個(gè)不屬于規(guī)范玻色子的玻色子——希格斯粒子 強(qiáng)子由夸克組成。

66、 規(guī)范玻色子 這是一類在粒子之間起媒介作用、傳遞相互作用的粒子 粒子也可以分為費(fèi)米子，玻色子。很多玻色子負(fù)責(zé)傳遞各種作用力。 費(fèi)米子是依隨費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)、角動(dòng)量的自旋量子數(shù)為半奇數(shù)的粒子。費(fèi)米子 遵從泡利不相容原理。 例如： 夸克 輕子：包括電子、渺子、陶子及對(duì)應(yīng)的反粒子、三種中微子及對(duì)應(yīng)的三種反中微 子。 中子、質(zhì)子：都是由三種夸克組成，自旋為 1/2 。 奇數(shù)個(gè)核子組成的原子核。 因?yàn)橹凶印?質(zhì)子都是費(fèi)米子， 故奇數(shù)個(gè)核子組成的原 子核自旋是半整數(shù)。 玻色子包括： 膠子 - 強(qiáng)相互作用的媒介粒子，自旋為 1，有 8種 光子 - 電磁相互作用的媒介粒子，自旋為 1，只有 1 種 W 及 Z 玻色子 - 弱相互作用的媒介粒子，自旋為 1，有 3 種 引力子 - 引力相互作用的媒介粒子，自旋為 2，只有 1 種，尚未被發(fā)現(xiàn) 希格斯玻色子 - 尚未被發(fā)現(xiàn) 介子 - 由兩個(gè)費(fèi)米子——夸克組成的強(qiáng)子。 由偶數(shù)個(gè)核子組成的原子核。 因?yàn)橘|(zhì)子和中子都是費(fèi)米子， 故含偶數(shù)個(gè)核子的原 子核是自旋為整數(shù)的玻色子。 穩(wěn)態(tài) 至今為止質(zhì)子