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唠科物理是如何从耳熟能详的概念一步步讲到我听不懂的

发布时间:2019-11-30 00:19 来源:未知 编辑:admin

  唠科,像唠嗑一样聊科学。走近中国科学院大学,走进科学的殿堂。这是一个面向大众的平台,在这里和你唠一唠UCASer眼里的科学和感悟。每周唠科都会推出一些有趣的话题,如果你有什么想聊的可以给我们留言,在这里我们无话不谈,当然还是要讲科学的。

  费曼曾经说过,“如果在某场灾难中,所有科学知识都被毁灭,只有一句话传给下一代,什么话能用最小的几个词包含最多的信息?我相信是原子假说,即所有物质都是由原子组成。”

  我们现在已经认识到,原子是由原子核与核外电子组成的,原子核又是由核子(质子和中子)组成。那么核子内部是否还有更微观的结构呢?现代物理学给出的答案是核子由夸克组成。

  物理学家用“味道”来区分不同的夸克,有传说这是当年盖尔曼一边吃冰淇淋一边做科研,就很随性的用冰淇淋的颜色味道来标注物理量。

  目前物理学家已经发现6种不同“味道”夸克,分别是上夸克(u)、下夸克(d)、粲夸克(c)、奇异夸克(s)、顶夸克(t)和底夸克(b),每种味道的夸克还存在相对应的反夸克。

  夸克之间存在一种叫强相互作用的力,它是自然界人类目前已知的最强的相互作用力。强相互作用通过胶子场来传递,这有点类似于电荷之间通过电磁场传递电磁力。一个质子包含三个夸克,这三个夸克又通过胶子传递的强相互作用形成一个束缚态,这同样可以类比电磁相互作用,原子核和核外电子通过电磁力形成一个原子,而电子不能自由的离开原子正是由于这种电磁力。组成质子的3个夸克的质量只占质子质量的不到2%,大部分质量来自于参与强相互作用的胶子。

  再回想一下原子,组成原子的核子与电子的质量和几乎等于原子质量,而原子核与电子之间的电磁场对于质量的贡献非常小。从这些可以看到强相互作用的强度非常大,或者可以说强相互作用是物质质量的主要来源,因此研究夸克和它们之间的强相互作用是认识物质世界的基础。

  强相互作用与我们的直觉相反,不同于万有引力和电磁力强度随距离成反比,对于强相互作用,距离越近作用力越弱,距离越远作用力越强。当你试图分开质子中的夸克(当然用手是掰不开的),分离的越远,需要的作用力就越强,这种力强到可以在真空中产生一对新的夸克,而不会把原有的夸克分开。想想磁铁,当你折断磁铁的时候,你不会得到两个磁单极,而是产生两个新的磁铁,这种行为类似于夸克的性质。强相互作用的这种性质叫做“色禁闭”,色禁闭的来源与机制是当今物理研究中最重要的基本问题之一。

  夸克被胶子粘在一起形成强子。在传统的认识中,存在两类强子,一类由三个夸克构成,称之为重子,质子和中子都是重子;另一类由一对正反夸克构成,称之为介子。强子的性质主要取决于其内部组成的夸克种类,即味道量子数,以及这些夸克的相互关系,即自旋宇称和径向量子数。

  每一种夸克都有其特有的味道,这些味道的总和就是强子的味道;强子的自旋宇称是由夸克的自旋和相互间的轨道角动量决定的。对于介子,首先可以分为两大类,味中性(即正反夸克相同,特别注意 u,d夸克视作同一味道,以下记为 q)和S、C、B、T味道(正反夸克味道不同)的介子。对于带味道的介子,根据味道不同即可命名。而对于味中性介子的命名不仅根据其味道,还要区分夸克对的总自旋为 0 或 1,以及轨道角动量为奇数或偶数。重子含有三个夸克,只需要按照不同的味道量子数区分。高激发态的强子均由对应强子名称加上“*”来表示,并在其后的括号内标识其质量。

  然而,强相互作用允许新的物质形态存在,例如由纯胶子构成的胶球、由夸克和胶子构成的混杂态和由三个以上夸克构成的多夸克态等等(如下图所示),它们统称为奇特强子态。寻找和研究这些新的物质形态将为夸克和胶子形成强子提供重要信息。如果奇特强子态不存在,将意味着强相互作用基本理论需要重大变革。

  在科学史上,原子光谱对研究原子结构和发展量子电动力学起到了重要作用。与此相似,强子谱也是我们研究强子微观结构和强相互作用的重要工具。

  胶子与光子之间的一个巨大区别是胶子有自相互作用,而光子没有。因此理论上存在胶子形成的束缚态——胶球,这是强相互作用的重要特征之一。寻找胶球是对强相互作用的直接检验,对于研究胶子场和理解色禁闭有重要意义。强相互作用随着能标降低而变强,导致低能区微扰理论将失效。因此,我们需要建立非微扰模型来研究胶球的性质。其中格点量子色动力学方法是目前热门方法之一。

  这种方法对计算机性能的要求非常高,无形中提高了研究成本。量子色动力学求和规则是同样有效的非微扰理论,它把QCD中非微扰效应等同于真空凝聚,通过解析方法来研究胶球的性质。

  格点量子色动力学和量子色动力学求和规则都对最轻的三个态,也就是标量态、张量态和赝标量态能谱进行了预言。这就为实验寻找这些胶球提供了非常好的指导。

  这些胶球和由夸克组成的常规介子具有相同量子数,实验观测到介子谱可能是胶球与普通介子发生混合的结果。因此胶球的寻找和甄别非常困难,至今仍是强子物理的国际前沿课题。

  为了确定胶球,理论和实验上需要进行系统的精确研究,一方面找到超出夸克模型预期的额外共振态;另一方面要测量各个共振态的自旋宇称、质量、宽度和衰变率等性质,发现难以用简单夸克模型解释的反常性质。需要特别注意的是,有一些量子数是不能应用传统的夸克理论解释,这些量子数称为奇特量子数。但是胶球却可以具有奇特态量子数,因此这类具有奇特量子数的胶球不会和普通介子发生混合,有利于实验观测。长期以来国际上有大量理论和实验上关于奇特胶球的研究。

  对胶球进行系统的研究需要非常大量的数据和复杂的分析。寻找胶球首先需要全面地找出并确认夸克模型预期的介子谱,从而找到无法归类于夸克模型介子谱的共振态。然后需要系统地研究多种反应过程确定胶球候选者的产生和衰变性质。

  综合所有这些信息才能回答诸如以下等问题:纯的胶球是否存在;以胶球为主的强子态是否存在;如果存在,胶球的衰变模式如何等。

  因此,寻找和研究胶球需要非常多的统计量和完整的反应模式,而至今人们尚未寻找到明确的胶球信号。

  本文系“现代物理赏析”项目作品,得到国科大2019年度文化建设(品牌培育类)经费专项支持。

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