神奇的夸克:构成物资基本单元 小到令人难以置信

质子和中子是构成原子核的粒子,看起来似乎曾经足够伟大。但科学家表明,这些亚原子粒子其实是由更小的粒子组成,他们将这些粒子称为夸克。

“我认为最简单的说法是,夸克是物资的基本组成部分,构成了咱们周围的任何,”理论物理学家杰弗里·韦斯特阐明道。韦斯特在美国洛斯阿拉莫斯国家试验室树立了高能物理研讨小组,如今是圣塔菲研讨所的杰出教授。

与电子和其余轻子一致,夸克似乎不能再继续分割为更小的结构。夸克是如此之小,以致于关于其大小的描写听起来都令人难以置信。伦敦大学学院物理学教授乔恩·巴特沃斯阐明道,夸克的半径大约是质子半径的1/2000,而质子的半径比一粒沙子小2.4万亿倍。

1964年首次提出

最早在1964年,加州理工学院的理论物理学家默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)首次提出了夸克模型。他是发展粒子物理学标准模型的症结人物之一,也是1969年诺贝尔物理学奖得主。盖尔曼指出,要想阐明质子和中子的性质,就必要假定它们由更小的粒子组成。与此同时,加州理工学院的另一位物理学家乔治·茨威格(George Zweig)也独立地提出了这个念头。

从1967年到1973年,在斯坦福直线加速器中心(现称为SLAC国家加速器试验室)进行的试验证明了夸克的存在。正如韦斯特所阐明的,夸克的一个怪僻之处在于,它们可以被查看到,但不能被分离。“一个微细的分头在于,”他说,“它们和电子一致都是基本粒子,但对于电子,咱们可以查看并分离它们。你可以指出某个电子的方向。对于夸克,你不可能从原子核中取出一个放到桌子上,对它进行检验。”

使用硕大的粒子加速器,科学家可以加速电子,并使用它们来探测原子核内部的秘密。要是电子撞击到足够深的地方,就会使夸克脱离,科学家就可以用异常严密的探测器来测量夸克。“咱们重建了目的中组成质子和中子的基本单元,”韦斯特说。“你可以看到这些小点,咱们把它们称为夸克。”

夸克有六种类型

与质子相比,夸克只带有部分电荷。根据质量,夸克可以分为六种类型,即六种“味”,分辨是上、下、粲、奇、底和顶。它们还有一种名为“色荷”的性质,用来描写强相互作用怎样样把它们联合在一齐。色荷由胶子携带,胶子也是一种基本粒子,负责在两个夸克之间传递强相互作用,就像光子负责在两个带电粒子之间传递电磁力一致。

美国堪萨斯大学的一个物理学研讨小组计划利用大型强子对撞机(LHC)上的一个装备来研讨夸克和胶子之间的强相互作用。大型强子对撞机是天下上最强大的粒子加速器,位于法国和瑞士之间一条27公里长的隧道内。

“咱们的念头是更好地理解质子和重离子——譬如铅——的结构,并研讨一种叫做‘饱和(胶子情态)’的新现象,”这项研讨的领袖者、堪萨斯大学物理学教授克里斯托夫·罗永(Christophe Royon)阐明道,“当两个质子或两个离子以极高的能量碰撞时,咱们可以很敏捷地探测到它们的子结构——夸克和胶子,从而探测到某些胶子密度变得异常大的区域。”

“咱们可以类比纽约高峰时段的地铁,此时地铁完整挤满了,”克里斯托夫补充道,“在这种状况下,胶子的行径不是单一的,而是可以表示出集体行径,就像拥挤的地铁一致,要是有人摔倒了,每个人都会感到到,由于人们离得很近。在某种程度上,,质子或重离子可以表示得像一个固体,像一块玻璃,这种情态称为‘色玻璃凝集态’。这是咱们指望在大型强子对撞机上看到的,也指望在美国未来的电子-离子对撞机上能看到。”

要是能找到这种浓密胶子物资存在的证据,或许将回答关于夸克最大的一个未解课题。“这是物资的一种新情态,”克里斯托夫说,“相对论性重离子对撞机(RHIC)或大型强子对撞机曾经供应了一点儿暗示,但任何都还不肯定。这将是一个主要的发现,大型强子对撞机和电子-离子对撞机都是查看这一现象的抱负装备。”科学家还想解答的另一个主要课题是,是否有比夸克更小的东西?“是否还存在另一个层次?”韦斯特说,“咱们不知道答案。”

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