从最全自动消化炉级近似来看
可能有由2个夸克和2个反夸克组成 的强子,称为 “4夸克态”;还可能有由1对正反夸克和1个或多个胶子组成 的强子,称为 “混杂子”;消化炉还可能有由4个夸克和1个反夸克组成的强子,称 为 “5夸克态”. 如果确有胶球、4夸克态或混杂子存在,它们显现出来的实验行为和一对 夸克和反夸克组成的介子有极大的类似性,要把它们区分开来,需要做大量的 实验研究和理论分析工作. 实验和理论的分析显示,现在实验已发现的173种介子中,有两种粒子是 胶球的有希望的候选者. 强子结构的基本图像 在20世纪70年代中期,对强子内部结构规律的认识逐渐地明朗和深入, 可以归结为以下几点: 1 3第六章 粒子世界 6 (1)强子是由更深层次的粒子夸克和胶子组成的复合粒子.夸克按电荷、 弱相互作用性质以及在相互作用中显现的质量加以区分,可以分成为若干 “味”.现在实验上已表明,组成强子的夸克不止3味,而是有6味.它们分 别用u、d、s、c、b、t表示. (2)每种味的夸克按其在强相互作用中的地位又区分为3种,称之为3 “色”,即每种味的夸克又都分为 “红”、“蓝”、“绿”3色. (3)带电粒子之间的电磁相互作用是通过交换光子来实现的.与之类似, 夸克(或反夸克)之间的相互作用是通过交换胶子来实现的. 带电粒子所带电荷的多少决定它参与电磁相互作用的强弱.相应地,夸克 所参与的强相互作用的行为和强弱是由夸克所带色荷的大小来决定的. 电荷只有1种,决定了光子只有1种.夸克的色荷却有3种,这决定了胶 子可以有8种. (4),介子由1个夸克和1个反夸克所组成,重子由3 个夸克组成.这些夸克和反夸克通过交换胶子而相互作用. 在强子内部,总是不断地有胶子被放出和被吸收,并处于统计平衡的状 态.因此,在强子内部除了有上面所说的夸克和反夸克外,还存在数目未知然 而是确定的胶子.在强子内部既然存在胶子,胶子就可以转化为夸克、反夸克 对,而夸克-反夸克对又可以湮没为胶子,因此,在强子内部也还存在数目未 知然而是确定的夸克-反夸克对.这样存在的每一个夸克-反夸克对在强子内 部并不要求结合成一个小集团,但总起来说,夸克的数目总和反夸克的数目 相等. 为了将上述两处所谈的夸克加以区分,把前者称为价夸克,而把后者称为 海夸克或微夸克. “价夸克”的名称是从化学中借来的,化学中称原子结构最 外层没有填满壳层的电子为价电子,它决定原子的化学性质.价夸克则是强子 中少数味和数目都完全确定的夸克(或反夸克),它们决定这个粒子的性质. 各种强子的不同反映在它们的价夸克(或价反夸克)上的不同上. 每个强子内部所有价夸克(或价反夸克)的色性质是保证其总合为 “白 色”,即整体对外来说相当于无色的(所有色都消光).每个强子内部所有价夸 克(或价反夸克)的味性质则不一定是无味的.海夸克是强子中数目不定的夸 克和反夸克,任何时刻其总合为 “无色无味”的.海夸克的数目稳定是统计 平衡的结果. (5)介子是由一对价夸克和价反夸克组成的强子,重子是由3个价夸克 所组成的强子. 胶子也能起到价粒子的作用,称为 “价胶子”,胶球就是由2个、3个或 多个价胶子所组成的.4夸克态是由2个价夸克和2个价反夸克组成的强子. §6.13 夸克模型理论和强子结构 1 37 混杂子是由1对价夸克和价反夸克以及1个或多个价胶子所组成的强子.5夸 克态是由4个价夸克和1个价反夸克组成的强子. (6)尽管强子是由夸克和胶子组成的,但是迄今为止,实验并没有直接 观察到自由的(即单独存在的)夸克或胶子.这是因为色相互作用具有 “禁闭 ” 的性质,也就是带色的粒子之间的色相互作用并不随距离增加而迅速减弱并从 而使粒子最终互相独立而处于自由状态.只有由夸克和胶子组成的无色系统才 可以自由地单独存在,带色的夸克和胶子只能存在于这个系统的内部. 色相互作用的这种禁闭性质最先是根据实验结果的启发而提出的理论假 设,随后理论上做了很多试探去证明,但是至今在理论上还没有最后严格地证 明.在现今对强子结构的研究中,色禁闭仍然是被普遍接受的基本假定. 虽然夸克和胶子被禁闭在强子的内部,但是在高能的物理过程中,被禁闭 的这些夸克和胶子在强子内部又近似地可以看作无相互作用.色相互作用的这 个性质称为 “渐近自由”,它可以从理论上导出,它的许多推论已经得到实验 的验证. 对高能实验结果的分析得出:高速运动的高能质子内部胶子所带的动量约 占质子动量的50%;价夸克所带的动量约占质子动量的35%~45%;海夸克 所带的动量只约占质子动量的5%~15%.这个结果也表明,如果认为质子只 是由价夸克所组成,这种看法是过于简单了.下面给出一个质子结构的示意 图. 图6-6 质子结构示意图 如图6-6所示,质子有3个价夸克U、U、D,用大写的符号代表;用小 写的符号u、d、s、c、b、.代表海夸克;用夸克符号上面加一小横代表相应 的反夸克;用g代表胶子. 这些粒子分布是分散的,色禁闭的性质使它们局限在一定的边界之内.价 夸克的种类和个数确定,即只是图中的U、U、D.海夸克的个数不确定,但 由于总起来要满足 “无色无味”的要求,平均来说,三种色的海夸克(和海反 1 3第六章 粒子世界 8 夸克)数目相等,各种味的海夸克(和海反夸克)数目相等.胶子的个数也不确 定,胶子是无味的,即各种味的夸克和反夸克与胶子的相互作用相同.胶子有 8种色,平均来说,8种色的胶子数目相等. 粲夸克、底夸克和顶夸克 1974年,物理学家丁肇中和里希特(BurtonRichter)分别独立地发现了第 四味夸克,称为 “粲夸克”,用符号c代表,它是通过发现J/ψ粒子实现的. J/ψ粒子是粲夸克和反粲夸克所组成的,质量是质子的3倍多,平均寿命比其 它质量相近的重介子要长10 000倍左右. 1977年,物理学家莱