夸克
quark
（喷射轨迹图片来源：《时间简史》图5.2，一个质子和一个反质子在高能下碰撞，产生了一对几乎自由的夸克。）
1964年，美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——Quark组成的。它们具有分数电荷，是基本电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》的词句“为马克检阅者王，三声夸克（Three quarks for Muster Mark）”。夸克在该书中具有多种含义，其中之一是一种海鸟的叫声。他认为，这适合他最初认为“基本粒子不基本、基本电荷非整数”的奇特想法，同时他也指出这只是一个笑话，这是对矫饰的科学语言的反抗。另外，也可能是出于他对鸟类的喜爱。
最初解释强相互作用粒子的理论需要三种夸克，叫做夸克的三种味，它们分别是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇夸克(strange,s)。1974年发现了J/ψ粒子，要求引入第四种夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c)。1977年发现了Υ粒子，要求引入第五种夸克底夸克(bottom,b)。1994年发现第六种夸克顶夸克(top,t)，人们相信这是最后一种夸克。
夸克理论认为，所有的重子都是由三个夸克组成的，反重子则是由三个相应的反夸克组成的。比如质子(uud)，中子(udd)。夸克理论还预言了存在一种由三个奇异夸克组成的粒子(sss)，这种粒子于1964年在氢气泡室中观测到，叫做负ω粒子。
夸克按其特性分为三代，如下表所示：
符号中文名称英文名称电荷(e) 质量(GeV/c^2)
u 上夸克up +2/3 0.004
d 下夸克down -1/3 0.008
c 粲夸克charm +2/3 1.5
s 奇夸克strange -1/3 0.15
t 顶夸克top +2/3 176
b 底夸克bottom -1/3 4.7
在量子色动力学中，夸克除了具有“味”的特性外，还具有三种“色”的特性，分别是红、绿和蓝。这里“色”并非指夸克真的具有颜色，而是借“色”这一词形象地比喻夸克本身的一种物理属性。量子色动力学认为，一般物质是没有“色”的，组成重子的三种夸克的“颜色”分别为红、绿和蓝，因此叠加在一起就成了无色的。因此计入6种味和3种色的属性，共有18种夸克，另有它们对应的18种反夸克。
夸克理论还认为，介子是由同色的一个夸克和一个反夸克组成的束缚态。例如，日本物理学家汤川秀树预
言的[[π+介子]]是由一个上夸克和一个反下夸克组成的，π-介子则是由一个反上夸克和一个下夸克组成的，它们都是无色的。
除顶夸克外的五种夸克已经通过实验发现它们的存在，华裔科学家丁肇中便因发现粲夸克而获诺贝尔物理学奖。近十年来高能粒子物理学家的主攻方向之一是顶夸克(t)。
至于1994年最新发现的第六种“顶夸克”，相信是最后一种，它的发现令科学家得出有关夸克子的完整图像，有助研究在宇宙大爆炸之初少于一秒之内宇宙如何演化，因为大爆炸最初产生的高热，会产生顶夸粒子。
研究显示，有些恒星在演化末期可能会变成“夸克星”。当星体抵受不住自身的万有引力不断收缩时，密度大增会把夸克挤出来，最终一个太阳大小的星体可能会萎缩到只有七、八公里那么大，但仍会发光。
夸克理论认为，夸克都是被囚禁在粒子内部的，不存在单独的夸克。一些人据此提出反对意见，认为夸克不是真实存在的。然而夸克理论做出的几乎所有预言都与实验测量符合的很好，因此大部分研究者相信夸克理论是正确的。
1997年，俄国物理学家戴阿科诺夫等人预测，存在一种由五个夸克组成的粒子，质量比氢原子大50％。2001年，日本物理学家在SP环－8加速器上用伽马射线轰击一片塑料时，发现了五夸克粒子存在的证据。随后得到了美国托马斯·杰裴逊国家加速器实验室和莫斯科理论和实验物理研究所的物理学家们的证实。这种五夸克粒子是由2个上夸克、2个下夸克和一个反奇异夸克组成的，它并不违背粒子物理的标准模型。这是第一次发现多于3个夸克组成的粒子。研究人员认为，这种粒子可能仅是“五夸克”粒子家族中第一个被发现的成员，还有可能存在由4个或6个夸克组成的粒子。
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我修正一下：有人说什么发现某某夸克，完全是不懂科学乱杜撰。现在人类只是大胆假设、科学求证，夸克是为了解释一些目前人类无法解释的现象而提出的可能存在的假设，但人类一直没找到夸克存在的直接证据。
1996年12月2日，《科技日报》发表了崔君达教授反驳何祚麻院士的文章《复合时空论并非病态科学》。崔在文中进一步指出："物理学界并非全都公认夸克的存在。不同意见早在70年代就有了。我国物理学家朱洪元，诺贝尔奖得主量子力学奠基人海德堡都认为：全世界许许多多物理学家花了那么大的力量寻找夸克，如果夸克真的存在，早就应该找到了。
这位科学家如此否认夸克当然也不对,像那句“如果夸克真的存在早就应该找到了”显然是谬论，就等于说“如果癌症真的存在早就应该治好了”一样。
总之科学来不得半点虚假与情绪化。夸克不能直接证明它存在，也不能证明（哪怕间接）它不存在，它目前只是种假设。
费米子
费米子(fermion)：自旋为半整数的粒子。比如电子、质子、中子等以及其
反粒子。它们符合泡利不相容原理，以及费米－狄拉克统计：
由全同费米子组成的孤立系统，处于热平衡时，分布在能级εi的粒子数为，Ni＝gi/（e^(α+βεi）+1）。α为拉格朗日乘子、β＝1/（kT），有体系温度，粒子密度和粒子质量决定。εi为能级i的能量，gi为能级
的简并度。
费米子，得名于意大利物理学家费米.
玻色子是依随玻色-爱因斯坦统计，自旋为整数的粒子。玻色子不遵守泡利不相容原理，在低温时可以发生玻色-爱因斯坦凝聚。玻色子包括：. 胶子- 强相互作用的媒介粒子，自旋为1，有8种; 光子- 电磁相互作用的媒介粒子，自旋为1，只有1种这些基本粒子在宇宙中的“用途”可以这样表述：构成实物的粒子(轻子和重子)和传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)。在这样的一个量子世界里，所有的成员都有标定各自基本特性的四种量子属性：质量、能量、磁矩和自旋。
这四种属性当中，自旋的属性是最重要的，它把不同将粒子王国分成截然不同的两类，就好像这个世界上因为性别将人类分成了男人和女人一样意义重大。粒子的自旋不像地球自转那样是连续的，而是是一跳一跳地旋转着的。根据自旋倍数的不同，科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类。费米子是像电子一样的粒子，有半整数自旋(如1/2，3/2，5/2等)；而玻色子是像光子一样的粒子，有整数自旋(如0，1，2等)。
这种自旋差异使费米子和玻色子有完全不同的特性。没有任何两个费米子能有同样的量子态：它们没有相同的特性，也不能在同一时间处于同一地点；而玻色子却能够具有相同的特性。
基本粒子中所有的物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料(如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子)；而传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)都是玻色子
重子
重子（baryon）
自旋为h的半奇数倍的强子。它们的统计性质属费米子。最为熟悉的重子是质子和中子，其他还有Λ、Σ、Ξ、Ω等粒子，其质量均超过质子和中子，故又称超子。对于所有的重子可定义一个重子数B，重子的重子数为＋1，反重子的重子数为－1。重子数在所有的相互作用下守恒，质子以外的其他重子最终都要衰变为质子，从而保证了质子的稳定性。已发现的各种重子都是由3个夸克构成的，例如p＝（uud），n ＝（udd），Λo＝（uds），Σ+＝(uus)，Ξ-＝（dss），Ω＝（sss）等等；也发现存在第4种夸克的Λc+（udc）和Σc+（uuc）等粲重子的实验证据。
质量
1.物理学中的质量：物体含有物质的多少叫质量。质量不随物体形状、状态、
空间位置的改变而改变，是物质的基本属性，通常用m表示。在国际单位
制中质量的单位是千克，即kg。
不得不提及，在物理学中质量分为惯性质量和引力质量。惯性质量表示的
是物体惯性的大小，而引力质量表示收引力的大小。事实上，通过无数精
确的实验表明，这两个质量是相等的，也就是说，他只是同一个物理量的
不同方面。
相对论提出能量与质量是等价的，可以通过E＝mc^2，换算。此外，相对
论还提出，质量与速度有关，公式：m=m0/（开方（1-v^2/c^2））。
在化学反应中，质量守衡。
在物理反应（核反应）中，质量（能量）守衡。
2.工程术语中：质量是产品或服务的总体特征和特性，基于此能力来满足明确或隐含的需要。
3.地理学中的质量：为适合应用，对数据所要求的或可以辨别的特征和特性的总和。
4.质量 quality
一组固有特性(3.5.1)满足要求(3.1.2)的程度
注1：术语“质量”可使用形容词如差、好或优秀来修饰。
注2：“固有的”（其反义是“赋予的”）就是指在某事或某物中本来就有的，尤其是那种永久的特性。
5.ISO质量体系中。质量：一组固有特性满足明示的、通常隐含的或必须履行的需求或期望的程度。
6.在国际单位制中，质量的基本单位是千克，符号kg。最初规定100cm的3次方的纯水，在4℃时的质量
1kg。1779年，人们据此用铂衣合金制成一个标准千克原器，存放在法国巴黎国际计量局中。
【粒子简介】
particle
能够以自由状态存在的最小物质组分。最早发现的粒子是电子和质子，1932年又发现中子，确认原子由电子、质子和中子组成，它们比起原子来是更为基本的物质组分，于是称之为基本粒子。以后这类粒子发现越来越多，累计已超过几百种，且还有不断增多的趋势；此外这些粒子中有些粒子迄今的实验尚未发现其有内部结构，有些粒子实验显示具有明显的内部结构。看来这些粒子并不属于同一层次，因此基本粒子一词已成为历史，如今统称之为粒子。
粒子之间存在着相互作用，有强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用，其中引力相互作用非常弱，可以忽略。通过这些相互作用，产生新粒子或发生粒子衰变等粒子转化现象。按照参与相互作用的性质将粒子分成以下几类：①规范粒子。即传递相互作用的媒介粒子，已发现的有传递电磁作用的光子和传递弱作用的W±、Z0粒子。②轻子。不直接参与强作用可直接参与电磁作用和弱作用的粒子，已发现的有电子、μ子、τ子和相伴的电子中微子ve、μ子中微子、τ子中微子及它们的反粒子共12种。
③强子。直接参与强作用，也参与电磁作用和弱作用的粒子。其中自旋为整数的强子称为介子，自旋为半整数的强子称为重子。强子的数目众多，其中大部分是通过强作用衰变的粒子，其寿命极短，是不稳定的粒子，也称为共振态。
各种粒子分别有各自的内禀性质，有粒子的质量m（静质量，以能量表示）、寿命τ（平均寿命，指静止系的平均寿命）、电荷Q（以质子的电荷为单位）、自旋J（以为单位）、宇称P、同位旋I、同位旋第3分量I3、重子数B、轻子数Le、、Lr、奇异数S、粲数C 、底数d等等。下面给出部分稳定粒子及其性质一览表
在现有实验的精度下，轻子的行为类似点粒子，没有显示出具有内部结构，而强子显示是复合粒子，具有一定的结构。按照现代粒子物理的观点，介子由一对正反夸克构成，重子由3个夸克构成，轻子和夸
克属于同一层次。
［摘要］夸克－胶子等离子体是当今粒子物理领域的重要研究课题，它不仅能揭示微观粒子的物理性质，还能帮助人们认识宇宙的演化过程。本文对夸克－胶子等离子体的研究现状进行了概述。［关键词］夸克－胶子等离子体；高能重离子碰撞浅谈现代粒子物理前沿问题———夸克－胶子等离子体 傅永平 郗勤 （临沧师范高等专科学校数理系，云南临沧 ６７７０００） 1研究夸克-胶子等离子体的科学意义 按照目前的实验观测结果，已知的物质最小构成单元是夸克和轻子，比如质子和中子就是由上夸克和下夸克组成的三夸克色禁闭束缚态，而介子则是双夸克色禁闭束缚态。我们熟知的电子就是轻子的一种。如果用质量来标度，夸克和轻子可以分为三代，每一代有２种夸克和轻子，其中夸克包括上夸克、下夸克、奇夸克、璨夸克、顶夸克和低夸克，轻子包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子和τ子中微子。 夸克－胶子等离子体是区别于强子的一种新的物质形态，夸克不再是以强子型的双夸克或三夸克色禁闭束缚态形式存在，夸克－胶子等离子体中的夸克是色相互作用渐近自由的，夸克与夸克之间，夸克与多夸克之间存在自由的色相互作用，这是一种多体夸克凝聚的新物质形态。 宇宙大爆炸初期宇宙的温度约为１０２８ ｅＶ，按照标准模型，当时可 能存在的物质只有轻子和夸克，此时夸克的色自由度是解禁的，就会形成夸克－胶子等离子体。之后随着宇宙不断膨胀，温度下降到１００ＭｅＶ时，夸克物质发生对称性破缺，开始冻结成为质子和中子。从夸克物质演化的意义来讲，研究夸克－胶子等离子体不仅对基本粒子物理研究意义重大，而且对于宇宙演化的研究来讲也具有重要意义。 2实验概况 实验表明，高能重离子碰撞有可能产生核子的多重碰撞，使能量主要集中在质心附近。也即一个核的核子有可能和另一个核的不同核子发生多次碰撞，而不是仅发生一次碰撞便飞离质心区域，这样在一个很短的驰豫时间内，能量可以集中在质心附近，从而产生夸克－胶子等离子体。为更好地解释在高能重离子碰撞过程中，能量如何主要聚集在质心附近，引入核阻塞能力的概念，它表征重离子碰撞过程中一个入射核子与另一个核碰撞时所受到核物质的阻塞程度，如果多重碰撞程度越高，阻塞能力也就越大，出射核子所携带的能量就越小，那么聚集在质心附近的能量就越高，也就越容易产生夸克－胶子等离子体。多重碰撞及核阻塞能力的研究，在高能重离子碰撞产生夸克－胶子等离子体方面具有重要作用。 实验物理学家们正在尝试着利用高能重离子碰撞实验装置，把物质的温度和密度在一个很小的时空区域内提升到大爆炸的初始阶段，即把“历史”退回到存在自由夸克物质的宇宙初期。美国布鲁海文国家实验室（ＢＮＬ）的相对论重离子对撞机（ＲＨＩＣ）能够将金原子核加速到每核子１００ＧｅＶ，碰撞的质心系能量可达３９．４ＴｅＶ。 此外，欧洲核子研究中心（ＣＥＲＮ）的大型强子对撞机（ＬＨＣ）可以把铅原子核加速到每核子２．７６ＴｅＶ的质心系能量。那么碰撞的质心系能量可达到５７４．０８ＴｅＶ。未来ＬＨＣ的质心系能量还将提升到每核子５．５ＴｅＶ，碰撞的质心系能量将达到１１４４ＴｅＶ。ＲＨＩＣ能将金原子核加速到光速的９９．９５％，核粒子束迎头相撞时，每秒钟将会出现上千次的碰撞，每一次碰撞都能在相撞点上产生很高的温度，大约能产生超过１０１２Ｋ的温度，这相当于太阳温度的１万倍。 3探测夸克-胶子等离子体 夸克－胶子等离子体一旦产生就会迅速冷却膨胀，所以其寿命是很短暂的。对于实验物理学家而言，观察其冷却过程中的粒子产生才是观测夸克－胶子等离子体的有效途径。夸克－胶子等离子体在冷却过程中将有大量新粒子产生，其中包括光子、轻子和夸克碎裂产生的强 子。标准模型预言，夸克－胶子等离子体的粒子产生多重数将远大于核子－核子深度非弹性散射的粒子产生，所以通过比较实验结果和理论预言将成为又一检验标准模型正确与否的关键。 如何观测夸克－胶子等离子体不仅是实验关心的问题，也是理论研究的热点。比如研究夸克－胶子等离子体的动力学特征。而要了解它，就必须依赖于从中心区域出射的、且未被其损坏的粒子。这些粒子的最佳候选者就是光子和轻子，因为光子和轻子只参与电磁相互作用和弱相互作用，它们都不会与夸克物质发生强相互作用，对于以强相互作用为主导的过程而言，它们几乎可以不受阻碍地从碰撞中心区域出射并被探测器捕捉到，所以光子和轻子都可以携带中心区域夸克物质的动力学信息，通过研究它们便可以了解自由夸克物质的动力学特征及规律。 在高能重离子碰撞过程中有以下三种主要的光子产生源，首先是初始冷组分部分子碰撞产生的快光子，它们包括夸克、胶子之间的湮灭和康普顿过程产生的直接光子，还包括由末态部分子在真空中碎裂产生的光子。还有喷注通过热媒介时，与热部分子相互作用也会产生光子。由于初始部分子碰撞过程中的转移动量很高，强相互作用跑动耦合常数小于１，这些光子的产生机制可以利用微扰量子色动力学和量子电动力学来处理。此外，在热夸克物质的平衡相中，热光子将由热夸克和热胶子的湮灭和康普顿过程产生，由于夸克－胶子等离子体的热光子主要集中在低横动量区域，所以微扰论很难处理。 只能依靠有限温度场论以及有效热质量截断等技术来解释夸克－胶子等离子体的热光子产生。最近，有的学者提出了一种新的理论来解释热光子的产生机制，称为共形反常。在夸克－胶子等离子体中存在共形不变对称性的破缺，这种破缺机制直接导致了色单态热部分子之间的相互作用产生热光子。光子产生的最后一个主要来源是碰撞演化末态的强子物质，热强子气体之间主要通过介子相互作用产生热光子，其中介子主要是轻介子，目前关于强子气体模型已经把奇异介子也包含进来了。来自ＲＨＩＣ的ＰＨＥＮＩＸ实验组和ＬＨＣ的ＣＭＳ实验组得到的光子实验数据能较好地与理论计算结果相吻合。 对于高能重离子碰撞中双轻子的产生机制，与光子产生过程完全类似，只需要将实光子变换为虚光子即可，因为双轻子主要由虚光子衰变而来。理论表明来自于夸克－胶子等离子体的热双轻子在低不变质量区域产率最大，但是热双轻子在这个区域的贡献被众多的强子衰变谱所掩盖，热双轻子唯一占主导的区域是在中间不变质量区域。但中间不变质量区域的双轻子数据同样能用粲粒子衰变来解释。不过来自ＮＡ６０实验组的数据表明较之粲粒子衰变谱，中间不变质量区域的双轻子数据有一个抬高，这个抬高有可能是来自热双轻子的贡献。 除此之外，对于ＲＨＩＣ的双轻子实验而言，仍存在着不少公开问题。其中之一就是低横动量双轻子数据在低不变质量区域较之强子衰变的理论预言有一个２到３倍的抬高现象。这种抬高现象可以通过热媒介中矢量介子由于手征部分恢复而发生质量移动来部分地得到解释，但仍无法完全解释抬高现象。最近，ＰＨＥＮＩＸ实验组得到的高横动量双轻子不变质量谱也存在实验值高于现有理论预言的抬高现象。来自热双轻子的贡献仍无法解释现有数据。 4小节 本文就目前粒子物理的前沿热点，夸克－胶子等离子体，进行了概述。现有的夸克－胶子等离子体的光子产生实验数据能够与理论计算结果较好地吻合，但是双轻子产生的实验数据在理（下转第４２页）
你一直在被哈勃定律所困扰吗？一直在为大爆炸而困惑吗？让我们重新审视一下这些问题，寻找这些宇宙学中重大问题的解答。 宇宙学的目的是了解宇宙的起源和演化，单从这一点就能看出它的雄心勃勃。近一个世纪前，天文学家发现绝大多数的星系正在远离我们，并由此揭示出了一个让人惊骇的事实——我们的宇宙正在膨胀。几十年前，天文学家意识到，天空中充满了宇宙形成之后不久光子所发出的微弱射电波。几年前，专门用来探测这一宇宙微波背景的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）则又发现了强有力的证据，证明我们的宇宙在极早期经历过一个超高速膨胀的“暴涨”阶段。 WMAP探测到的宇宙微波背景辐射。图中的不同颜色代表了温度在2.725开上下十万分之一的波动。版权：NASA。 有些人认为现如今的宇宙学正处于“黄金时代”。然而，相对于它不断所取得的进展，一些宇宙学中最基本的概念却让人难以把握。这里列举出五件宇宙学中最让人困扰的事情，它们或许是普通人想要理解宇宙学家们目前所做的最大障碍。 一、如果遥远的星系都在离我们而去，这是否意味着我们就处在宇宙的中心？ 用一个字回答：不。 20世纪20年代，美国威尔逊天文台的埃德温·哈勃（Edwin Hubble）和米尔顿·赫马森（Milton Humason）发现，除了距离最近的星系之外，其他的星系都在远离我们而去。此外他们还发现，距离越远的星系其退行的速度越快。但是，这些星系的退行运动并不是穿行于宇宙空间之中的，而是宇宙空间自身的整体膨胀。星系只不过是搭了个便车而已。
1916年，德国理论物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）发表了他的广义相对论。这一理论拓展了他早先的想法，囊括了引力对空间的形状以及时间流逝的影响。一年之后，荷兰天文学家威廉·德西特（Willem de Sitter）使用爱因斯坦的理论证明，一个几近真空的宇宙必定会膨胀。哈勃认为，他所看到的星系退行现象正是一个由“德西特空间”所组成的宇宙的如实表现。 在膨胀的宇宙中传播的光线会被拉伸。光子会损失能量，因此谱线的位置会向长波（红光）段移动。同时，超新星爆发的信号也会被拉伸。遥远星系中的超新星会比近距星系中的持续更长时间，而且距离越远持续的时间就越长。这就意味着宇宙空间自身也在膨胀。被镶嵌在宇宙空间中的星系在跟随空间一起远离其他的天体。 天文学家通常会使用气球来比喻膨胀的宇宙。气球表面的图案代表星系。对气球充气就相当于宇宙的膨胀，这时气球表面每个图案之间的距离就会变大。不幸的是，绝大多数人试图把这一类比推向另一个极端，询问气球的中心是什么。 [图片说明]：宇宙膨胀是宇宙空间自身的膨胀。版权：Astronomy/Roen Kelly。 必须要明白的是，这本质上是一个二维的实验。在一张白纸上画许多的点，然后在一张透明片上把刚才的画放大再画一遍。将两者重叠起来，并且任取一点作为参考点。“无论这个点在哪儿，每个点上的‘观测者’都会看到其他点在离他/她而去，”美国加州大学欧文分校的阿萨塔·库雷（Asantha Cooray）解释说，“这正是宇宙中的每个星系所正在发生的。” 另一个想象宇宙膨胀的途径是把它看成是一个葡萄干面包。当面包（宇宙空间）膨胀的时候，每颗葡萄干（星系）都会看到其他的葡萄干在远离自己而去。而这些葡萄干自身并没有改变，变化的是它们所处的空间。同时，每颗葡萄干也
62种基本粒子 一、轻子（12种）{轻子主要参与弱作用，带电轻子也参与电磁作用，不参与强作用} 01、电子 02、正电子（电子的反粒子） 03、μ子 04、反μ子 05、τ子 06、反τ子 07、电子中微子 08、反电子中微子 09、μ子中微子 10、反μ子中微子 11、τ子中微子 12、反τ子中微子 二、夸克（36种）Quark，层子、亏子(6味×3色×正反粒子=36种) 13、红上夸克 14、反红上夸克 15、绿上夸克 16、反绿上夸克 17、蓝上夸克 18、反蓝上夸克 19、红下夸克 20、反红下夸克 21、绿下夸克 22、反绿下夸克 23、蓝下夸克 24、反蓝下夸克 25、红粲夸克 26、反红粲夸克 27、绿粲夸克 28、反绿粲夸克 29、蓝粲夸克 30、反蓝粲夸克 31、红奇夸克 32、反红奇夸克 33、绿奇夸克 34、反绿奇夸克 35、蓝奇夸克 36、反蓝奇夸克 37、红顶夸克 38、反红顶夸克 39、绿顶夸克
40、反绿顶夸克 41、蓝顶夸克 42、反蓝顶夸克 43、红底夸克 44、反红底夸克 45、绿底夸克 46、反绿底夸克 47、蓝底夸克 48、反蓝底夸克 三、规范玻色子（规范传播子）（14种） 49、引力型-中性胶子(Ⅰ型开弦) 上夸克-上夸克 50、引力型-中性胶子(Ⅰ型开弦) 反上夸克-反上夸克 51、磁力型-中性胶子(Ⅰ型闭弦) （反）下夸克-（反）下夸克 52、磁力型-中性胶子(Ⅰ型闭弦) 夸克-反夸克 53、阳电力型胶子上夸克-下夸克 54、阴电力型胶子上夸克-下夸克 55、阳电力型胶子反上夸克-反下夸克 56、阴电力型胶子反上夸克-反下夸克 57、光子（光量子） 58、引力子（还是一个假设） 59、W+玻色子 60、W-玻色子 61、Z玻色子 62、希格斯玻色子Higgs Boson
分数电荷 人们把荷电量分别是－e 、＋e 和0的电子、质子和中子看作是自然界的基本粒子．但是，随着岁月的流逝，物理学家们发现了许多其他的基本粒子．粒子种类的繁多确实使人们感到周围世界的组成错综复杂．于是，理论物理学试图寻找更小的一组真正基本的粒子，所有其他的粒子都可以由它们组成．1964年盖尔曼（M ·Geu －Mann ）和兹韦格（G ·Zweig ）提出了一种假说，认为这样的一组粒子是三种叫做夸克的粒子．这三种夸克分别叫做上夸克、下夸克和奇异夸克．它们的不同寻常的特性之一就是具有分数电荷．上夸克的电荷是e 32+，下夸克和奇异夸克的电荷都是e 3 1-．这些夸克可以组合而形成质子、中子以及大部分迄今已发现的其他粒子．例如，质子是由两个上夸克和一个下夸克组成．自从这个最早的假设创始以来，物理学家们已预言了其他三种也具有分数电荷的夸克，它们分别是魅夸克、顶夸克和底夸克．另外，高能加速器上产生了一些新粒子，它们被预言是后三种夸克的组合．尽管量子色动力学认为孤立的夸克不能存在，夸克只能相互结合形成带整数电荷的粒子，但是量子色动力学理论并未排除夸克以净电荷为非整数的束缚态存在．因此寻找分数电荷就引起了物理学家们极大兴趣，发现分数电荷就等于令人信服地证实夸克理论． 自1965年开始，美国斯坦福大学一直在进行着一项寻找物质上的自由分数电荷的实验．这种实验实质上是一种大规模的密立根实验——被考察粒子的质量比油滴的质量大一千万倍，实验的原理是根据迈斯纳效应．该大学的费尔班克（W ·M ·Fairbank ）教授等报告，把超导铌球悬浮在磁场中，加上变化的电场以观察铌球的运动，从而测出它们所带的电荷．他们得出结论；观察到了e 3 1±的证据．1979年与1981年他们在改进的仪器上又证实了这一点． 然而，其他不少科学家也作了许多实验，至今却未发现分数电荷的存在．例如1981年旧金山州立大学的科学家小组用动力磁浮置法进行寻找分数电荷的实验，结果未观察到分数电荷，1983年美国加州的劳伦斯伯克利实验室又做了测定分数电荷的实验，他们用重离子（本质上是重原子核动）加速器做实验，他们一共测定了26万个汞滴，但一个分数电荷也没有找到． 现在人类只是大胆假设、科学求证，夸克是为了解释一些目前人类无法解释的现象而提出的可能存在的假设，但人类一直没找到夸克存在的直接证据。然而夸克理论做出的几乎所有预言都与实验测量符合的很好，因此大部分研究者相信夸克理论是正确的。 总之科学来不得半点虚假与情绪化。夸克不能直接证明它存在，也不能证明（哪怕间接）它不存在，它目前只是种假设。
第十四讲 微观世界的规律与方法 一、知识点击 1．原子结构模型 ⑴玻尔模型理论： ①定态假设：原子中的电子绕核作圆周运动，并不向外辐射能量，其轨道半径只能取一 系列不连续值，对应的原子处于稳定的能量状态。 ②跃迁假设：电子从一个定态轨道（设对应的原子定态能量为E n2）跃迁到另一定态轨道 （设定态能量为E n1）上时，会辐射或吸收一定频率的光子，能量由这两种定态的能量差决定，即21n n h E E ν=-。 ③角动量量子化假设：电子绕核运动，其轨道半径不是任意的，只有电子的轨道角动量（轨道半径r 和电子动量m υ的乘积）满足下列条件的轨道才是允许的． 2h m r n υπ = n=1，2，3，… ⑵氢原子的能级公式为412222018n me E E h n n ε=-=，其中4 122013.68me E eV h ε=-=-。 2．物质的二象性 不确定关系 1924年，德布罗意从光的波粒二象性推断实物粒子，如电子、质子等也具有波动性，即实物粒子也具有二象性．同实物粒子相联系的波称为德布罗意波，其波长h h p m λυ = =。 量子理论的发展揭示出要同时测出微观物体的位置和动量，其精密度是有一定限制的．这 个限制来源于物质的二象性．海森伯从量子理论推理，测量一个微粒的位置时，如果不确定范围是x ?，那么同时测得其动量也有一个不确定范围p ?，x ?与p ?的关系为 42 h p x π??≥ =，此式称为海森伯不确定关系，其中h 为普朗克常数． 不确定关系是普遍原理，也存在于能量与时间之间一个体系（例如原子体系）处于某一 状态，如果时间有一段△t 不确定，那么它的能量也有一个范围ΔE 不确定，二者的乘积有如下关系：2 E t ??≥
第十七届全国中学生物理竞赛复赛题参考解答 一、参考解答 设玻璃管内空气柱的长度为h ，大气压强为0p ，管内空气的压强 为p ，水银密度为ρ，重力加速度为g ，由图复解17-1-1可知 0 ()p l h g p ρ+-= （1） 根据题给的数据，可知0 p l g ρ=，得 p g h ρ= （2） 若玻璃管的横截面积为S ，则管内空气的体积为 V S h = （3） 由（2）、（3）式得 V p g S ρ= （4） 即管内空气的压强与其体积成正比，由克拉珀龙方程p V n R T =得 2 V g n R T S ρ= （5） 由（5）式可知，随着温度降低，管内空气的体积变小，根据（4）式可知管内空气的压强也变小，压强随体积的变化关系为p V -图上过原点的直线，如图复解17-1-2所示．在管内气体的温度由1T 降到2T 的过程中，气体的体积由1V 变到2V ，体积缩小，外界对气体做正功，功的数值可用图中划有斜线的梯形面积来表示，即有 2 2 1212121 ()22V V V W g V V g S S S V ρρ????=+-= ? ????? - （6） 管内空气内能的变化 V 21() U n C T T ?=- （7） 设Q 为外界传给气体的热量，则由热力学第一定律W Q U +=?，有 Q U W =?- （8） 由（5）、（6）、（7）、（8）式代入得 V 211()2Q n T T C R ? ?=-+ ? ? ? （9） 代入有关数据得 0.247J Q =- Q <表示管内空气放出热量，故空气放出的热量为
0.247J Q Q '=-= （10） 评分标准：本题20分 （1）式1分，（4）式5分，（6）式7分，（7）式1分，（8）式2分，（9）式1分，（10）式3分。 二、参考解答 在由直线B C 与小球球心O 所确定的平面中，激光光束两次折射的光路B C D E 如图复解17-2所示，图中入射光线B C 与出射光线D E 的延长线交于G ，按照光的折射定律有 0s in s in n n α β = （1） 式中α与β分别是相应的入射角和折射角，由几何关系还可知 s in l r α = （2） 激光光束经两次折射，频率ν保持不变，故在两次折射前后，光束中一个光子的动量的大小p 和p '相等，即 h p p c ν' =- （3） 式中c 为真空中的光速，h 为普朗克常量．因射入小球的光束中光子的动量p 沿B C 方向，射出小球的光束中光子的动量p '沿D E 方向，光子动量的方向 由于光束的折射而偏转了一个角度2θ，由图中几何关系可知 22()θαβ=- （4） 若取线段1G N 的长度正比于光子动量p ，2G N 的长度正比于光子动量p '，则线段12N N 的长度正比于光子动量的改变量p ?，由几何关系得 2sin 2 sin h p p c νθθ ?== （5） 12G N N ?为等腰三角形，其底边上的高G H 与C D 平行，故光子动量的改变量p ?的方向 沿垂直C D 的方向，且由G 指向球心O ． 光子与小球作用的时间可认为是光束在小球内的传播时间，即 02c o s /r t c n n β?= （6） 式中0 /c n n 是光在小球内的传播速率。 按照牛顿第二定律，光子所受小球的平均作用力的大小为
4、力学单位制(中） 1．如图所示，测量示数的单位属于国际单位制中基本单位的是（） A．B． C．D． 【答案】A 【解析】 A 图中的m是国际单位制中力学的基本单位，故A正确。B图中的N国际单位制中的导出单位，故B错误。C图中的V是国际单位制中的导出单位，故C错误。D图中的km/h是国际单位制中的导出单位，故D错误。故选A。 2．下列说法正确的是（） A．牛顿认为力是维持物体运动的原因 B．牛顿第一定律、牛顿第二定律都可以通过实验来验证 C．国际单位制中，kg、m、N是三个基本单位 D．根据速度定义式，当△t→0时，就可以表示物体在t时刻的瞬时速度。【答案】D 【解析】 牛顿认为力是改变物体运动状态的原因，选项A错误；牛顿第二定律可以通过实验来验证，牛顿第一定律不可以通过实验来验证，选项B错误；国际单位制中，kg、m、s是三个基本单位，N是导出单位，选项C错误；根据速度定义式，当△t→0时，就可以表示物体在t时刻的瞬时速度，选项D正确；故选D。 3．下列每组中三个单位均为国际单位制基本单位的是（） A．库仑、毫米、特斯拉B．克、秒、牛顿 C．瓦特、焦耳、克D．千克、米、秒 【答案】D 【解析】
A、库仑、毫米不是国际单位制中基本单位，特斯拉是导出单位，故A错误； B、克和牛顿不是国际单位制中基本单位，秒是国际单位制中基本单位，故B错误． C、瓦特、焦耳、克都不是国际单位制中基本单位，故C错误； D、千克、米、秒均为国际单位制中基本单位，故D正确。 4．1960年第11届国际计量大会制定了一种国际通用的、包括一切计量领域的单位制，叫作国际单位制。以下单位符号属于国际单位制中基本单位的是（） ①kg ②m/s ③N ④m ⑤s ⑥g ⑦m/s2⑧cm A．②③⑦B．①④⑤C．⑤⑥⑧D．①③④ 【答案】B 【解析】 际单位制规定了七个基本物理量．分别为长度、质量、时间、热力学温度、电流、光强度、物质的量．它们的在国际单位制中的单位称为基本单位，而物理量之间的关系式推到出来的物理量的单位叫做导出单位．他们在国际单位制中的单位分别为米、千克、秒、开尔文、安培、坎德拉、摩尔，B正确． 5．1995年美国费米国家实验室在实验中观察到了顶夸克，测得它的静止质量m=3.1×10-25kg，寿命τ=0.4×10-24s，这是近二十几年粒子物理研究最重要的实验进展之一。正、反顶夸克之间的强相互作用势能可写为，式中是正、反顶夸克之间的距离，αS是强相互作用耦合常数，是与单位制有关的常数，在国际单位制中 k=0.319×10-25J?m，则在国际单位制中强相互作用耦合常数αS的单位是（） A．N B．V C．J D．无单位 【答案】D 【解析】 由题意知as=-，as单位==1，所以在国际单位制中强相互作用耦合常数as无单位，则D正确。故选D。 6．下列各组单位，全部属于国际单位制中基本单位的是（） A．kg、m、s B．kg、m、m／s C．kg、s、N D．m、s、N 【答案】A 【解析】
现代粒子物理的发展及现状 摘要 六十年代初，实验发现的基本粒子的数目已达到近百种。而且显然，随着加速器能量的提高，还会有大量的新粒子会被发现出来。原来人们期望基本粒子的研究会给物质世界描绘出一幅很简明的图象。结果却相反，基本粒子的种类竟然比化学元素的种类还多!这使人们意识到，这些粒子并不是物质世界的极终本原。基本粒子对它们不是一个合适的名称。于是人们去掉"基本"二字，而把它们简称为粒子。相应的研究领域也改称为粒子物理。 关键词：粒子物理；场论；夸克；轻子；加速器
一、什么是粒子物理？ 为什么世界上不同的物质具有相同的特征？因为我们周围的各种物质都是由几个自然界的积木或基本的砖块(building block)构成。远古时代认为，世界是由“水、火、土、气”组成。今天人们知道“水、火、土、气”其实是由“原子”组成的。1900年前后，人们认为“原子”是可穿透的球，内部有电荷在跳动。人们很快发现：可根据其化学性质把“原子”分类——元素周期表，这表明“原子”有内部结构，是由更小的砖块组成的。实验表明“原子”是由带正电的、重而小的“原子核”和围绕它的带负电的“电子云”组成。“原子核”很小、很重、密度很大，曾被认为是基本粒子。后来发现“原子核”其实是由带正电的“质子”和不带电的“中子”组成。随后人们发现“质子”和“中子”并不基本，是由更小的粒子——“夸克”组成。到目前为止，“夸克”没有发现其内部结构，是“基本”的粒子！从而，研究最基本物质构成的学科形成——粒子物理。粒子物理（又称高能物理学）研究构成物质的各种基本粒子，以及它们之间如何进行相互作用。粒子物理代表着目前人类对物质微观结构乃至整个宇宙演化的最深刻认识。它的主导理论——“标准模型”（The Standard Model）：目前有一个非常简洁的理论来描述基本粒子，以及基本粒子间的相互作用。该理论告诉我们，基本粒子共分为两个家族：夸克和轻子，电子即属于“轻子”家族。每个家族都包含6种粒子，并分为3代，3代粒子的质量依次递增。基本粒子间有四种不同的作用力，它们由载力粒子传递，从而导致基本粒子间的相互作用。正如群居的大象，夸克也群居，从不单独存在，它们群居所形成的复合粒子叫“强子”。虽然夸克带有分数电荷，但强子的电荷是整数。强子有两类——中子与介子。标准模型令人难以置信的精确，所有用它预测的粒子都已被实验发现，很多是在1960和1970年用高能加速器才发现的。现在已发现了约两百个粒子。为记录它们，以希腊和罗马符号命名之。还有另一类区别于夸克的基本粒子——轻子。夸克总是群居而以束缚态形式存在；轻子则单个存在。带电轻子象猫科动物，易看到；不带电轻子（中微子）则象附着在这些动物身上的跳蚤。夸克种类繁多，于是我们根据他们的特性给他们分了各类——代。一代的夸克有u夸克与d夸克，二代的有粲夸克与奇异夸克，三代夸克有底夸克与顶夸克。
一、夸克的提出 1、1928年，狄拉克将相对论引入量子力学，他建立的狄拉克方程预言：存在与电子具有严格相同的质量，但是电荷符号相反的正电子。 2、1932年，安德森在宇宙线实验中观察到：高能光子穿过重原子核附近 时可以转化为一个电子和一个质量与电子相同但带有单位正电荷的粒子 （左图），从而发现了正电子。狄拉克对正电子的预言得到了实验的证实。 反粒子的存在是电子所特有的性质，还是所有的粒子都具有的普遍的性质呢？如果所有的粒子都有相应的反粒子，首先检验的应该是是否存在质子的反粒子、中子的反粒子。 1947年在宇宙射线的研究中，首先观察到了奇异粒子， 3、24年后的1956年，美国科学家张伯伦（Owen Chamberlain，1920-2006） （右图）等在加速器的实验中发现了反质子，即质量和质子相同，自旋量子 数也是1/2，带一个单位负电荷的粒子，接着又发现了反中子。 4、20世纪30年代中期发明了粒子加速器，科学家们能够把中子打碎成质 子，把质子打碎成为更重的核子，观察碰撞到底能产生什么。20世纪50年代，唐纳德·格拉泽（Donald Glaser）发明了“气泡室”，将亚原子粒子加速到接近光速，然后抛出这个充满氢气的低压气泡室。这些粒子碰撞到质子（氢原子核）后，质子分裂为一群陌生的新粒子。这些粒子从碰撞点扩散时，都会留下一个极其微小的气泡，暴露了它们的踪迹。科学家无法看到粒子本身，却可以看到这些气泡的踪迹。 气泡室图像上这些细小的轨迹（每条轨迹表明一个此前未知的粒子的短暂存在）多种多样，数量众多，让科学家既惊奇又困惑。他们甚至无法猜测这些亚原子粒子究竟是什么。 5、1961年，盖尔曼在奇异数守恒定律①的基础上将对称性运用于基本粒子的分类，即SU （3）对称性。假定所有的强子都是由质子(p)、中子(n)和Λ 超子以及它们 的反粒子组成的。正像忽略去质子和中子的差别以后核力和核子体系具有 同位旋对称性【即SU(2)对称性】一样，如果人们忽略Λ 粒子与核子之间 的差异，而把它们看作同一粒子所处的三种不同状态，它们之间应具有SU(3)对称性，由它们所构成的强子体系也应具有SU(3)对称性。他和以色列物理学家内曼（Yuval Neemann，1925-2006）各自独立地提出了强作用对称性的理论——八重法②（eightfold way），按照这一方法，把有相近性质的强作用基本粒子分成一个个的族，并认
第十七届全国中学生物理竞赛复赛试题 题 号 一 二 三 四 五 六 总 计 全卷共六题，总分140分 一、（20分）在一大水银槽中竖直插有一根玻璃管，管上端封闭，下端开口．已知槽中水银液面以上的那部分玻璃管的长度76cm l =，管内封闭有31.010mol n =?－的空气，保持水银槽与玻璃管都不动而设法使玻璃管内空气的温度缓慢地降低10℃，问在此过程中管内空气放出的热量为多少？已知管外大气的压强为76cm 汞柱高，每摩尔空气的内能V U C T =，其中T 为绝对温度，常量1V 20.5J (mol K)C =??－，普适气体常量18.31J (mol K)R =??－。 二、（20分）如图复17-2所示，在真空中有一个折射 率为n （0n n >，0n 为真空的折射率）、半径为r 的质 地均匀的小球。频率为ν的细激光束在真空中沿直线 BC 传播， 直线BC 与小球球心O 的距离为l （l r <），光束于小球体表面的点C 点经折射进入小球（小球成 为光传播的介质），并于小球表面的点D 点又经折射进 入真空．设激光束的频率在上述两次折射后保持不 变．求在两次折射过程中激光束中一个光子对小球作 用的平均力的大小． 三、（25分）1995年，美国费米国家实验室CDF 实验组和DO 实验组在质子反质子对撞机TEV A TRON 的实验中，观察到了顶夸克，测得它的静止质量112251 1.7510eV/c 3.110kg m =?=?－，寿命240.410s τ=?－，这是近十几年来粒子物理研究最重要的实验进展之一． 1．正、反顶夸克之间的强相互作用势能可写为4()3S a U r k r =-，式中r 是正、反顶夸克之间的距离，0.12S a =是强相互作用耦合常数，k 是与单位制有关的常数，在国际单位制中250.31910J m k =??－．为估算正、反顶夸克能否构成一个处在束缚状态的系统，可把束缚状态设想为正反顶夸克在彼此间的吸引力作用下绕它们连线的中点做匀速圆周运动．如能构成束缚态，试用玻尔理论确定系统处于基态中正、反顶夸克之间的距离0r ．已知处于束缚态的正、反夸克粒子满足量子化条件，即 2000年
夸克 quark （喷射轨迹图片来源：《时间简史》图5.2，一个质子和一个反质子在高能下碰撞，产生了一对几乎自由的夸克。） 1964年，美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——Quark组成的。它们具有分数电荷，是基本电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》的词句“为马克检阅者王，三声夸克（Three quarks for Muster Mark）”。夸克在该书中具有多种含义，其中之一是一种海鸟的叫声。他认为，这适合他最初认为“基本粒子不基本、基本电荷非整数”的奇特想法，同时他也指出这只是一个笑话，这是对矫饰的科学语言的反抗。另外，也可能是出于他对鸟类的喜爱。 最初解释强相互作用粒子的理论需要三种夸克，叫做夸克的三种味，它们分别是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇夸克(strange,s)。1974年发现了J/ψ粒子，要求引入第四种夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c)。1977年发现了Υ粒子，要求引入第五种夸克底夸克(bottom,b)。1994年发现第六种夸克顶夸克(top,t)，人们相信这是最后一种夸克。 夸克理论认为，所有的重子都是由三个夸克组成的，反重子则是由三个相应的反夸克组成的。比如质子(uud)，中子(udd)。夸克理论还预言了存在一种由三个奇异夸克组成的粒子(sss)，这种粒子于1964年在氢气泡室中观测到，叫做负ω粒子。 夸克按其特性分为三代，如下表所示： 符号中文名称英文名称电荷(e) 质量(GeV/c^2) u 上夸克up +2/3 0.004 d 下夸克down -1/3 0.008 c 粲夸克charm +2/3 1.5 s 奇夸克strange -1/3 0.15 t 顶夸克top +2/3 176 b 底夸克bottom -1/3 4.7 在量子色动力学中，夸克除了具有“味”的特性外，还具有三种“色”的特性，分别是红、绿和蓝。这里“色”并非指夸克真的具有颜色，而是借“色”这一词形象地比喻夸克本身的一种物理属性。量子色动力学认为，一般物质是没有“色”的，组成重子的三种夸克的“颜色”分别为红、绿和蓝，因此叠加在一起就成了无色的。因此计入6种味和3种色的属性，共有18种夸克，另有它们对应的18种反夸克。 夸克理论还认为，介子是由同色的一个夸克和一个反夸克组成的束缚态。例如，日本物理学家汤川秀树预
第一章引言 --強相互作用历史 粒子物理学(或高能物理学)是探索物质结构的最前沿的科学，物质结构的研究已从早先的原子层次深入到夸克和轻子这一新层次。60年代初从加速器实验中发现了100多种基本粒子，这些基本粒子可以分为两类：一类是参与强相互作用的粒子，如质子、中子、π介子、奇异粒子和一系列的共振态粒子等，统称为强子；另一类是不参与强相互作用，只参与电磁、弱相互作用的粒子，如电子、μ子和中微子等，统称为轻子。高能物理实验又进一步揭示上百种强子并不“基本”，是有内部结构的。质子、中子、π介子等强子是由更小的夸克组成的，夸克被看成是物质结构的新层次。并提出了夸克模型理论。这些强子是由三种更基本的夸克(上夸克u、下夸克d和奇异夸克s)组成的。六十年代大量的高能物理实验证实了夸克的存在。1974年，丁肇中和里克特发现了第四种夸克－粲夸克c，1977年发现了底夸克b，1995年发现了顶夸克t，这6种夸克就是构成所有数百种强子的“基本”单元。同时轻子的发现也达到了6种(电子、电子型中微子、μ子、μ型中微子、τ轻子、τ型中微子)。因此夸克和轻子就是目前阶段我们所认识的物质结构的新层次。 夸克、轻子通过电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用和引力等运动规律就构成了自然界万物奥妙无穷、千变万化的物理现象。引力的相互作用强度最弱，在微观世界可以忽略，而强相互作用最强，是理解微观世界基本组成份以及它们之间相互作用运动规律的关键。
19世纪末麦克斯韦成功地提出了电磁学理论、将原来分开的电和磁学统一起来，预言了电磁波的存在，很快得到了实验的证实。20世纪，电磁学规律已经对工业、农业、科学技术和军事产生了巨大的影响。1967年，温伯格和萨拉姆提出了电磁相互作用和弱相互作用统一理论，并预言了弱中性流的存在以及传递弱相互作用的中间玻色子的质量。1983年1月和6月分别发现了带电的和中性的中间玻色子。实验上测到的中间玻色子的质量与理论预言惊人地一致。这一发现证实了弱电统一理论的成功，其意义可以与将麦克斯韦电学和磁学统一理论的验证相比拟。弱电统一理论与描述夸克之间强相互作用的量子色动力学理论合在一起统称为粒子物理学中的标准模型理论。在标准模型中传递相互作用的媒介子分别是光子(传递电磁相互作用)、中间玻色子(传递弱相互作用)以及胶子(传递强相互作用)。夸克、轻子以及传递相互作用的媒介子就是物质世界的基本单元，它们遵从的规律是标准模型理论。标准模型理论是近半世纪以来探索物质结构研究的结晶，是20世纪最重要的成就之一。上世纪七十年代到世纪末，这一理论已经成功地受到了实验检验并正在继续发展。这一成就可以与本世纪初的玻尔原子模型相比，正是有了玻尔原子模型，才有20世纪20年代末量子力学理论的建立。可以相信，标准模型理论的发展必将导致深层次动力学规律的发现和建立。 1. 从汤川(Yukawa)理论到夸克模型 1932年查德威克(J. Chadwick)发现了中子，接着海森堡
1-40 【题目】 1995年，美国费米国家实验室CDF 实验组和D0实验组在质子反质子对撞机TE VATRON -实验中，观察到了顶夸克，测得它的静止质量，11225t 1.7510eV /c 3.110kg m -=?=?，寿命 240.410s τ-=?．这是近来粒子物理研究最重要的实验进展之一． （1）正反顶夸克之间的强相互作用势能可写为(r)43s a V k r =-，式中r 是正反顶夸克之间的距离，0.12s a =是强相互作用耦合常数，k 是与单位制有关的常数，在国际单位制中250.31910J m k -=??．为估算正反顶夸克能否构成一个处在束缚状态的系统，可把束缚状态设想为正反顶夸克在彼此间的吸引力作用下绕它们连线的中点做匀速圆周运动．如能构成束缚态，试用波尔理沦确定系统处于基态中正反顶夸克之问的距离0r ．已知处于束缚态的正反夸克粒子满足量子化条件0222πr h mv n ??= ??? （ 1 , 2 , 3 , n =） 式中02r mv ?? ??? 为一个粒子的动量mv 与其轨道半径02r 的乘积，n 为量子数．普朗克常量346.6310J s h -=??． （2）试求正反顶夸克在上述设想的基态中做匀速圆周运动的周期T ．请想一想正反顶夸克的这种束缚态能存在吗？ 【难度】 2 【分析】 通过强相互作用势能的表达式可求得强相互作用力，再联立动力学方程和量子化条件即可求得结果。第（2）问通过比较运动周期和顶夸克的寿命确定是否存在该束缚态。 【解答】 （1）通过强相互作用势能(r)43s a V k r =-，可求得距离为r 时正反顶夸克间的强相互作用力为 (r)(r)2 43s dV ka F dr r =-=- 负号表示此力为吸引力。 正反顶夸克之问的距离为0r 时作用力大小为 2 043s ka F r = 正反顶夸克满足动力学方程 2 0/2 mv F r = 还满足量子化条件（基态 1 n =） 0222πr h mv ??= ??? 通过以上各式可解得
认识顶夸克 美国费米实验室已正式宣布，发现物质组成中第6种、也是最后一种夸克（Quark）——顶夸克（TopQuark）。这项物理学上的重大发现，证实粒子物理理论模型，也让科学家藉以了解顶夸克性质、了解大自然和物质的起源。至于这项发现是不是会像发现质子、中子，对人类生活产生重大影响，仍有待观察。 夸克是比质子、中子更微小的物质组成基本粒子。在60年代以前，物理学界认为质子、中子是最小的物质组成粒子。不过，1963年美国物理学家盖尔曼、兹维格提出物质组成的新理论，主张当时科学家所认知构成物质的最小粒子中子、质子等，是由更基本的粒子“夸克”所构成，并提出三种夸克，分别命名为上夸克、下夸克、奇夸克，例如，质子是由两个上夸克与一个下夸克及胶质组成。唯有在粒子物理学家建构的实验室中，才能感觉到夸克的存在。夸克构成质子、中子，而质子、中子又存在于我们周围每一种物质小，但是夸克并不会自然、独立存在于自然界中。 当粒子（电子或质子）以极高的速度（接近光速）发生碰撞时，才有可能产生“夸克”这样的基本粒子。而且由于碰撞产生的夸克能量相当高，它很快就会衰变成其他物质。因此，只有在实验室中，以粒子加速器将电子或质子加速，并使它们在高速下发生碰撞，同时以极精密的仪器进行测量，才能
推论出夸克的存在。经由实验观测与理论推算，科学家认为夸克应该有6种。科学仪器的改进，帮助科学家发现其他的夸克。因为，粒子加速器能量不断提升，测量仪器功能不断改善，粒子碰撞瞬间的速度、能量愈大，测量仪器愈精密，也愈容易捕捉到瞬间即逝的信号，则产生新粒子的可能性愈高。 1963年后，科学家陆续发现第4、5种夸克，其中“粲夸克”是由华裔科学家丁肇中领导的研究群在1974年发现。3年后，李德曼领导的研究群又证实“底夸克”的存在。寻找最后一种夸克，便是19年来粒子物理学家努力的方向，只有证实顶夸克的存在，粒子物理学理论才能获得验证。顶夸克的质量超过科学家的推测。顶夸克的质量大约是质子质量的200倍，依照相对论的质量与能量转换公式，以质子对撞方式产生顶夸克，必须使质子以极高的速度运动，速度愈快、能量愈高，碰撞的瞬间才能产生顶夸克。 费米实验室的加速器周长有6.3km，使用1000个超导磁铁，把质子与反质子加速到各具有九千亿电子伏特的能量后，进行对撞，平均要1兆次的对撞才可能观察到1次顶夸克。 顶夸克出现后，“随即”消失。实验显示，顶夸克出现后，便在1×10-24s（观察者还来不及眨眼的瞬间）衰变成其他粒子。 顶夸克的发现，验证了粒子物理的理论模型，但是一般人既
《叫三声夸克》 课题：设计意图【教学目标】知识和能力 1．了解了多层次的物质结构，了解什么是夸克。 2．认识“盒子”在说明内容及安排结构上所起的作用。3．能够体会文章通俗、形象、准确的说明语言。过程和方法 1．通过查阅资料、认真阅读、实践体验等自主与合作学习方法，了解科学知识。 2．引导学生认识课文在说明方法及说明语言上的一些特点，初步形成说明知识的能力。3．提出问题，引导思考与讨论，培养学生对科学的兴趣。情感态度和价值观 1.学习科学家的探索精神。 2.培养学生敢于怀疑，敢于创新，大胆想像的精神。【教学过程】课前参与：出示教具，一个正方形的小纸盒(上扎针孔)，提问：如果让纸盒里的气体分子排着队从针孔里全部跑出，猜一猜需要多长时间?学生回答：“一分钟”、“一小时”、“一天”、“一月”、“一年”、“十年”、“一百年”、“五百年”、“一千年”...教师提示：需要九千年(物理学研究成果)才能跑完。教师进一步引导：这么小的分子是由原子构成，原子又是由电子、质子、中子等基本粒子构成，而它们也不是构成物质的最小单位，科学家在它们中又发现了夸克。(板书文题，导入新课) 一、初读课文，读出大意学生选择自己喜欢的方式读课文。在读的时候，划出文章中提到的一些科学概念，并标出有疑问的地方，留待后面学习过程中解决。学生读课文。读完，讨论以下问题：（二）本文主要说明了什么？（文章主要说明了原子、原子核、强子、夸克这些物质结构...）说明它们的时候有顺序吗？（按照物理学家们发现并认识这些物质结构的过程来写的，是不断深入的。这在说明的顺序上叫逻辑顺序和时间顺序）（板书）。 2、“夸克”是什么意思？从文章中找出相关的语句来回答。（“夸克”是译音，意思是海鸟的叫声。长诗《芬尼根之觉醒》中有一句话：“向麦克老人三呼夸克。”科学家盖耳曼借其中的“夸克”为自己的假象命名。实际上“夸克”是组成物质的基本粒子。） 3、文章的题目能否改为“叫七八声夸克”？(因科学家研究的“夸克”与“三”特别有缘，再加上诗句中有“三呼”两字，作者便借用了，应该说一语双关，用“七八声”则毫无意义。) 4、用图来表示物质结构。（最好用不同的画法，线状结构或盒式结构都可以。学生板演）二、再读课文，读出精彩 1、再读课文，把文章中你认为写得精彩的字词