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质子内部到底是什么样的?

发布时间:2019-11-02 02:38 来源:未知 编辑:admin

  质子内部的结构依赖于观察的能量,如果用低能的眼睛去看,则由三个夸克构成;如果用高能的眼去看,则有无数的夸克和胶子。

  ,又叫色禁闭。色禁闭的存在使得我们无法把质子切开,把内部成分拿出来直接观测;

  介子的质量远远小于其它介子。对这个现象做出的合理解释就是QCD中的手征对称性自发破缺,其结果就是夸克获得了一个额外的动力学质量,

  ,再根据Goldstone定理,每一种连续对称性的破缺都会产生零质量的玻色子,此处即为

  说明:本文只针对题主的“质子内部到底是什么样的?”回答,对于问题补充中的问题,本人已经写过相关的回答了,有兴趣的知友可以在本文末尾找到相关回答链接。

  介子(Meson)和重子(Baryon)。最先发现的强子就是质子和中子,因为原子核就是由质子和中子构成的,因此很容易被发现。从上个世纪初开始,科学家从宇宙射线中陆续观测到了各种各样的强子,这些强子的性质各不相同,包括质量、衰变周期、自旋、宇称等性质。慢慢的,发现的强子越来越多,大家就开始想能否对这些强子进行分类。对大量类似物质进行分类是一种非常直接的想法,化学中对不同的原子进行分类得到元素周期表就是分类的过程,宏观世界的各种各样的物质,通过对其性质研究分类,最终发现都能由元素周期表中的元素或元素组合构成。其实这样分类的过程本质上是寻找动力学系统基本自由度的过程,得到的基本自由度个数往往比被分类物质的种类小很多。那么同样的,对于大量的强子是不是也能通过分类得到“强子周期表”?如果能得到强子周期表是不是也能找到对应的基本自由度?答案是肯定的。这些发现的强子,按照自旋的不同,都可以在超荷——同位旋图

  对于每一个图中的粒子,自旋、宇称是相同的,但是质量是不同的,不过质量之间却有一定的关系。实际上,图3中的

  粒子最开始并没有被观测到。但是每一张图中的同一行粒子的质量接近,行与行之间的粒子质量差值相似,因此,如果这样的分类是正确的话,就应该存在一个质量在这附近的粒子,后来确实在实验上发现一个差不多质量的粒子,就是

  夸克模型简单的说是一种对强子分类的模型,由于夸克模型能够成功地解释许多事实,把极为复杂的事情变得非常简单,立即得到人们的普遍重视,于是掀起了一场寻找夸克的热潮。人们用海水和陨石作实验;探测宇宙射线;运用各种高能加速器,希望能找到夸克存在的证据。然而,在1969年以前,什么证据也没有找到。这时,大多数人已经不抱希望,认为找不到夸克存在的证据,只能解释为所谓的夸克只不过是某种数学符号,物理方程中的一个数学量而已。

  对于“质子内部到底是什么样的”这样的问题,最直接的想法就是去“看一下质子内部”。当然,这个“看一下”的过程并没有那么直接。比较典型的实验方法有

  图6,电子-质子深度非弹性散射。其中k是入射电子,k#39;是末态电子,p为被轰击的质子,X表示末态粒子集合. 电子与质子的相互作用通过交换一个中间粒子——光子q来产生。

  实验发现,质子内有无数点电荷,且基本上是自由运动的。电子-质子深度非弹性散射实验显示出核子的结构函数具有无标度现象。这是现实质子(或者说核子)具有结构的重要信息。这些实验激发了当时的理论学家对于核子结构的热烈讨论,其中1969年费曼提出了著名的“

  图7,费曼(Richard Philips Feynman,1918-1988)

  “部分子模型”也成为描述高能反应中以极高速度运动的核子内部结构的标准动力学图像。 依照部分子模型,一个接近光速运动的核子可以看作是由一束高速运动的自由点粒子即部分子所构成, 高能反应通过这些部分子之间的相互作用而发生. 强子内部分子的性质由

  部分子分布函数(parton distribution function,PDF)

  来描述。 PDF直观地定义为强子内携带动量分数x的某类部分子的数密度.

  深度非弹性实验有三个重要的发现,通过与理论模型的对比,可以的出关于质子的重要结论:

  布约肯标度无关性(Bjorken scaling):结构函数与标度q无关的性质。 由于1/q是虚光子的康普顿波长,是时空分辨率的标志, 布约肯标度无关性表明, 当时空分辨率达到一定值时,继续提高分辨率,看到的东西不再变化。这表明探测到的物体在此分辨率下已表现为点粒子. 实验目前达到的

  电子-核子深度非弹性散射实验显示核子是由自旋为1/2的部分子组成的,而在夸克模型中所有强子包括核子在内都是由夸克构成的,那么实验上看到的部分子就是夸克模型中的夸克吗?这两种模型具有什么样的关系呢?

  实际上,部分子模型和夸克模型是一致的。我们可以将部分子等同于夸克。这样的核子模型成为

  。夸克模型中核子是由三个夸克构成的:质子为uud,中子为udd,而部分子模型中核子内的部分子数量没有一定的限制。为了将这两个模型统一起来,我们可以将核子视为这样的构成体,即核子中除了显示其“特性”的夸克uud和udd外,还包括大量处于不断产生和湮灭中的正反夸克对。其中标志核子特性的夸克uud和udd被称为

  价夸克,而处于不断产生和湮灭中的正反夸克对成为海夸克,他们处于不断涨落的“海”中。海夸克是由于量子涨落才出现的,只有高能电子轰击质子时才能感受到海夸克的存在。可以认为夸克模型是核子模型的低能图像,而部分子模型是核子结构的高能图像。定义,

  实际上,电子-质子深度非弹性实验中没有被探测到的粒子就是胶子。QCD解释了胶子(gluon)的存在(胶子是强子中的电中性粒子,其作用是使夸克粘合而形成强子,胶子有八种态),认为带色的夸克通过交换胶子而结合,即夸克与夸克、或夸克与反夸克、或反夸克与反奈克之间通过胶子而结合在一起。凡带有色荷的粒子能放出和吸收胶子,从而实现强相互作用。吸收和放出胶子可使夸克改变颜色。而原子核内的核力是核子内夸克之间强相互作用力的剩余效应。

  由于量子场论真空激发的基本性质,当时空分辨率足够高时,人们可以“看到”真空激发产生的海夸克、反夸克和胶子, 此时质子不再是单纯地由3个夸克构成, 而是由3个价夸克与无穷多海夸克、反夸克和胶子构成,而且这些真空激发产生的粒子的数目随着时空分辨率的提高而增加。 在研究质子的整体静态性质时, 海夸克、反夸克和胶子的物理效应不明显;但在高能反应过程中, 由于相对论时间延缓效应, 它们在高速运动的质子内存在的时间延长, 在某些运动学区域内甚至起到主导作用.

  图10,图中的uud为价夸克,其它夸克为海夸克,为正反夸克,总是成对出现。夸克之间的线表示胶子,提供夸克之间的相互作用。

  虽然上面说了很多,但是对于质子内部结构,我们知道的信息还是很有限的。原则上,我们可以通过QCD推导出质子的内部结构,但是QCD在低能下的非微扰性质使得数学上的计算非常复杂,所以很遗憾,目前为止还无法通过第一性原理知道完整的导出质子内部结构。

  核子(包括质子和中子)是可见宇宙的主要构成基础单元,其内部结构的研究室当代粒子物理学最前沿的课题之一。对于核子内部结构的研究促进了量子色动力学的产生与发展,也不断的更新人们对于宇宙的认知。

  对于“质子和中子内部夸克质量远小于核子质量,其余的质量又是从何而来?”的回答

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