AL123 人文社科会员免费专区文学 2023-11-04

人人都该懂的粒子物理学_【英】布赖恩·马丁_AZW3_MOBI_EPUB_PDF_电子书（无页码）_【英】布赖恩·马丁

内容节选

夸克存在的直接证据夸克模型在解释强子谱上的成功是夸克存在的有力间接证据，但物理学家仍想看到更为直接的证据，其中最理想的是证明自由夸克的存在。最初，物理学家认为如果对强子施加足够的能量，就能克服强核力产生自由夸克，类似于原子的电离或原子核的分裂。实验物理学家尝试以高能“炮弹”粒子轰击质子，结果只生成了更多诸如π介子的粒子：没有夸克被释放出来。一些物理学家指出，夸克或许非常重，而加速器不具备足以克服强核力的能量。他们认为在这种情况下，自由夸克也许会出现在由宇宙射线诱发的碰撞中：一些已知的宇宙射线拥有远高于人造加速器的能量。夸克带有非整数电荷意味着自由夸克必须是稳定的，因为不存在更轻的带有非整数电荷的粒子令夸克进行衰变。由此引发了一系列针对夸克可能藏身之处的离奇搜索，其中甚至包括深海的淤泥以及碾碎的牡蛎壳，但仍没有任何自由夸克被发现。困惑的物理学家在会议中探讨了夸克的“意义”。据传记作者说，盖尔曼厌倦了这种讨论，他让一位医生朋友开具了一份假的医疗报告，说他不能再参与此类谈话，因为“哲学有害于他的健康！” 1968年，加利福尼亚州的斯坦福直线加速器中心终于找到了夸克存在的第一个直接证据。该实验本质上是对50年前发现了原子核存在的实验的重复，但用到的“炮弹”是其他具有更高能量的粒子：通过将一束阿尔法粒子打到金原子核上并对被散射的粒子的分布进行观测，卢瑟福、盖格和马斯登研究了原子内部的电荷分布。基于距离与能量之间的关系，为了对强子的结构进行探测，需要用到比早期实验能量高得多的“炮弹”，其能量在GeV量级。斯坦福直线加速器中心有能力实现如此高的能量。起初，实验团队研究了被质子散射的电子。这样的实验被称为深度非弹性散射（deep inelastic scattering），因为“炮弹”粒子深入探测了质子的结构，而非仅仅进行弹性散射。被研究的相互作用以e-+p→e-+X表示，其中X代表生成的许多强子。后续实验用到了μ子作为“炮弹”。类似于卢瑟福及其同事所做过的实验，一项对被散射的轻子分布的研究很快证实，质子的电荷分布并不均匀。事实上，质子由三个小得多的部分组成。它们最初被称为部分子（parton）而不是夸克，因为夸克的存在仍有争议。为了证明部分子就是夸克，实验物理学家需要找出这些部分子的量子数，并证明它们与夸克的预测值相同，也就是的自旋和非整数的电荷数。为此，实验需要用到不带电并且只参与弱相互作用的中微子作为“炮弹”。在接下来的几年中，许多实验室利用巧妙制备的中微子束进行了深度非弹性散射实验。带电及中性轻子散射实验的数据表明，部分子具有与夸克相同的性质。图6-1的费曼图描述了有关反应：图（a）中用作“炮弹”的粒子是电子，图（b）中是中微子，中微子的下标μ会在下一章中讲到。在图6-1（a）中，用于探测质子结构的是被交换的光子，图6-1（b）中则是一个W玻色子，因为中微子的散射是弱相互作用。从左侧进入的靶质子由三个夸克组成，被交换的粒子与单个夸克发生相互作用，其他两个夸克并不参与其中——它们被称为旁观者（spectator）。这与原子核的β衰变过程类似，在β衰变中，一个核子转化为另一种核子，而其他核子保持不变。在图6-1的两种情况中，被散射的夸克和旁观者夸克均对整体的强子产生有所贡献，这样的过程名为强子化（hadronisation）。一开始，这种对反应的解释被称作部分子模型，但现在一般称其为夸克—部分子模型（quark-parton model）。它很好地解释了数据，并且是旁观者模型的一种，在这类模型中只有单个夸克参与相互作用。图6-1 夸克-部分子模型中电子和中微子的深度非弹性散射核子中存在夸克的发现并非完全出乎物理学家的意料。话虽如此，实验还是带来了许多惊喜。首先，夸克不仅不重还相当轻，其质量不及质子的1/3。你可能很好奇，在没有自由夸克可供“称量”的情况下“质量”到底意味着什么。这个问题值得花时间稍做思考。以电子为例：在量子电动力学中，电子不断释放并重新吸收虚光子，而这些光子又会不断创造并再次吸收虚电子—正电子对，以此类推。当科学家为电子“称重”时，其实是在测量它的等效质量，其中也包括了这一团粒子对总能量的贡献。我在之前有关费曼图的讨论中介绍过这些虚粒子，它们不会在初始或最终状态中出现在实验室内。图6-1中被交换的光子和W玻色子也是虚粒子。夸克的等效质量中包含了成团的强相互作用等效载力子以及它们进一步制造出的虚夸克—反夸克对海带来的效应。对核子中的夸克（上夸克和下夸克）而言，这样的贡献并不小。因此在提到夸克质量时，我们既可以像上文提到的那样给出从对强子的研究中得出的等效质量（通常被称为组分质量），也可以使用不考虑这些贡献的理论质量——后者要小得多，只有数个MeV。其次，深度非弹性散射实验还显示，随着“炮弹”的能量增加到能够......