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宇宙中潛伏著奇特粒子組成的夸克,那我們為什么不去尋找它們呢?

時間:2019-11-18 16:37:05 來源:本站 閱讀:4003227次

正如你所猜想的那樣,強核作用力是一種非常強大的力。它強大到可以把宇宙中微小的粒子長時間地,甚至是永遠地結合在一起。在構成我們所熟知的世界的微粒中,由強力結合在一起的有中子和質子。但是如果你想切開一個質子或者中子,你并找不到完美的,簡單排列的亞原子粒子。相對地你會看到宇宙中最復雜的力之一的討厭的內在。中子和質子并不是強力可以構成的唯二物質,但我們并不能完全理解其它更復雜,更奇特的組合。更糟糕的是,甚至我們的試驗和觀察自身也很粗略。但物理學家們正在努力試圖拼湊出對這一基本自然力的理解。

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強勁而復雜

要介紹強力,最好和它的表兄弟——電磁力做對比。受電磁力影響的東西往往簡易而明了,以至于1900年時科學家就有能力近乎完全分析電磁力。在電磁力作用下,任何微粒都可以在它們保有叫電荷的性質時盡可能長時間地組成集體。如果有電荷,那么就可以感受并響應電磁力。所有種類的微粒都帶有電荷,就像普通的電子一樣。

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另外一種顆粒,光粒子(也就是光子),擔任了把電磁力從一個帶電粒子傳遞到另一個的任務。光子自身并不帶有電荷,也沒有質量。它以光速移動,在宇宙中來回碰撞,由此產生了電磁。

電荷,電磁力的單載波。簡單而干脆。

相比之下,有六種粒子都會受到強力的管制。作為一個整體,它們被稱之為夸克。它們有著一些奇特的名字,如上(u)、下(d)、頂(t)、奇(s)、底(b)及粲(c)。要感受并響應強力,夸克有各自的荷。然而某些原因使得事情很令人費解,這不是一種電荷(盡管它們自身也有電荷并受到電磁力影響),物理學家把這種與強力有關的荷稱之為色荷。夸克可以擁有紅,綠,藍三種色中的一種。這么稱呼只是為了分辨,它們并沒有實際的顏色,我們只是給這種奇異的像荷一樣的性質一種代稱。

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所以,夸克感受強力,但是夸克是由其他大量粒子搬運著的——準確說是8種粒子。這些粒子被稱之為膠子,在擔任著一項重要的工作,那就是把夸克膠合在一起。膠子也表現出了攜帶色荷的能力并自身帶有色荷。他們也同樣擁有質量。六種夸克,八種膠子。夸克可以改變它們的色荷,而膠子也可以。

所有的這些都表示強力無論是復雜程度還是錯綜程度都遠超它的電磁力表親。

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強勁而奇特

好吧,我前面說謊了。物理學家們稱呼夸克和膠子攜帶的性質為色荷并不僅僅只是因為他們喜歡這個名字,而是因為這種命名是服務于一種有用的類比的。夸克和膠子可以相互結合來構成更大的粒子,直到所有的色的總和變成白色。就像紅色,藍色和綠色光合在一起變成白色光一樣。最常見的結合是三個夸克的結合,分別是一個紅色綠色和藍色。

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但是這里這種類比有一點不同,因為每種獨立的夸克隨時都有可能擁有任意種顏色,所以正確地結合所需的夸克的數量更為重要。可以有很多種三個夸克的組合來組合成相似的質子和中子。你同樣可以將一個夸克和它的反夸克結合,在這種情況下夸克的色會被它自己抵消,(比如,一個綠色夸克和反綠色夸克組合,我并不是在瞎扯)從而組成一種叫做介子的微粒。

但是到這里還沒有結束。

宇宙中潛伏著奇特粒子組成的夸克,那我們為什么不去尋找它們呢?

理論上來說,所有夸克和膠子加和成白色的結合在技術上都是允許自然存在的。

比方說,兩個每個內部都含有有兩個夸克的介子,有連結在一起組成一種叫四夸克態的東西的可能性。而在某些情況下,你可以你可以往這個混合體里面加入第五個夸克,所有的顏色依舊保持平衡,而就像你想的那樣它被稱為五夸克態。

五夸克態甚至不是一定要在一個單獨的微粒中結合,他們可以簡單地互相靠近存在,組成物被稱之為氫分子。

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這是多么的瘋狂:膠子本身組成微粒甚至可以不需要夸克。膠子可以組成一個很簡單的球狀體并相對穩定地出現在宇宙中,它們被稱之為膠球。所有被強力允許出現的可能的結合態的總體被稱之為夸克光譜,而這并不是一個科幻電視節目作者取的名字。夸克和膠子的結合存在各種各樣奇異的潛在可能性,難道不是么?

夸克彩虹

或許

物理學家已經進行了幾十年的強力試驗了,比如巴貝爾實驗和一些在大型強子對撞機中的試驗,緩慢地通過逐年積累來達到更高能級去逐漸深入探索夸克偶素光譜。在這些實驗中,物理學家已經發現了很多獨特的夸克和膠子的結合體。實驗主義者給了他們取了些時髦的名字,比如χc2(3930)

這些獨特的潛在粒子轉瞬即逝,但在很多情況下它們是確切地存在的。物理學家們需要通過艱難的工作來把這些短暫存在的微粒與我們理論上猜測應該存在的微粒聯系起來,比如五夸克態和膠球。

宇宙中潛伏著奇特粒子組成的夸克,那我們為什么不去尋找它們呢?

把理論和實際產物聯系起來的主要問題在于相關數學計算十分困難。和電磁力不一樣,涉及強力的實體預測是十分困難的。這并不僅僅是因為夸克和膠子之間復雜的相互作用。在能級非常高的情況下,強力的強度實際上會開始減弱,使得數學計算被簡化。但是在能量較低時,比如使夸克和膠體結合成穩定微粒所需的能量,此時強力實際上非常得強。這增長的強度使得數學分析更為困難了。

理論物理學家們已經提出了很多新技術來解決這一問題,但是這些技術本身不是不完善就是效率低下。在我們已經知道夸克偶素光譜上的一些奇特狀態是切實存在的同時,要預言它們的性質和實驗特征卻是十分困難的。

宇宙中潛伏著奇特粒子組成的夸克,那我們為什么不去尋找它們呢?

物理學家們依舊在努力研究,正如他們一直所做的一樣。緩慢地,逐漸地,我們在構筑對從對撞機中產生的特殊微粒的收集,然后對理論夸克偶素的狀態進行越來越準確的預言。匹配工作正在緩慢地進行著,逐漸給我們一張關于這種我們宇宙中奇異而基本的力越來越完整的拼圖。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. Paul Sutter – Astrophysicist-風箏小貓

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