历史百科微观世界终极在哪里-——夸克理论

Posted 2022-02-25 粒子

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历史百科微观世界终极在哪里-——夸克理论

微观世界终极在哪里?——夸克理论

1964年，美国的M.盖耳曼和G.兹韦克提出了一种新的粒子物理学理论，盖耳曼给它们起了个从文学著作中借来的名字——夸克，即人们所称的夸克理论。在他的理论中称，所有强子都是由夸克和它们的反粒子组成的。这种理论的提出，推动了粒子物理学研究的发展。从夸克假设提出后，物理学家们一直在寻找自由的夸克。

早在1949年，费米和杨振宁就提出并非所有的基本粒子都有“基本”的特性的想法。由此，他们提出了强子结构模型。他们认为，π介子不是基本的，基本的是核子，而π介子只是由核子和反核子构成的结合态。在当时所知的所有原子核及介子，都是由质子P、中子n以及它们的反粒子(、)构成的。1955年，日本物理学家坂田昌一扩充了费米和杨振宁的模型，提出了强子是由质子P、中子n和超子λ以及它们的反粒子、、构成的坂田模型，即SU(3)模型。1961年，盖耳曼和Y.奈曼提出了用SU(3)对称性来对强子进行分类的“八重法”，这是沿着费米—杨—坂田模型方向的一个重大发展。在物理上，费米—杨—坂田模型主要只考虑了强子的同位旋对称性质，而除了同位旋之外，强子还有另外一个重要的内部量子数——超荷，这两个量子数与粒子的电荷有着确定的关系。这个关系是不能自动在费米—杨—坂田模型中出现的。要做到这一点，就必须考虑更高的对称性，这就是盖耳—曼和奈曼提出的SU(3)对称性。八重法分类，就是粒子物理中的周期表，不但当时已经发现的粒子在八重法分类中都能有自己的位置，八重法分类还准确地预言了一些新的粒子，其中最著名的是重子Ω-，它后来在1964年被发现。SU(3)群的基础表示是三维的，介子和重子都不属于SU(3)群的基础表示。最初盖耳曼认为：这种SU(3)群的基础表示的三重态仅仅是描述强子理论的数学框架中的一个组成部分，代表三种虚构的“轻子”——v、e、u。到1964年，已发现的基本粒子(包括共振态)的种类增加到上百种，因而使得盖耳曼和G.兹韦克提出，产生SU(3)对称性的基础就是构成所有强子的构造单元，它们一共有三种，并命名为夸克。

在盖耳曼和G.兹韦克提出的假设中，夸克只有u、d、s三种，由此可以得到当时及其后发现的所有粒子的一个令人满意的分类。1974年，丁肇中及B.里希特等分别在质子加速器和正负电子对撞机的实验中发现了一种新粒子J(或称作)，它有着非常独特的性质。它的质量很大，而寿命却比大部分共振态小一万倍，这显然不能由上面所谈及的三个夸克u、d、s及其反粒子构成，而只能解释为由一个新的夸克C和它的反粒子所构成。这第四种夸克的存在，不久便因一系列的新粒子′、″、D、F、η0等得以发现，并得到进一步的证实。1977年，L·M莱德曼等发现了另外一个独特的新粒子Y，它的性质也只能用另一个新夸克b及其反粒子所构成来解释。这第五种夸克的存在，近年由新粒子Y′、Y″等的发现而得到更多的证据。

夸克理论提出后不久，就有人认识到强子的强相互作用和弱相互作用的研究应建立在夸克的基础上，同时还要考虑强子的结构特性和各种过程中的运动学特点，才能正确地解释强子的寿命、宽度、形状因子、截面等动态性质。1965年，中国发现的强子结构的层模型，就是这个方向的首批研究之一。层子的命名，是为了强调物质结构的无限层次而作出的。在比强子更深一层次上的层子就是夸克。近20年来，粒子物理实验和理论发展的主流，一直沿这个方向，在弱作用方面，已有了突破性的进展;在强作用方面，也有重大的进展。夸克理论的提出，对粒子物理的发展作出了巨大的贡献。

盖耳曼

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