夸克的提出

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

为每个族成员应有8个。八重法很好地说明了强子的自旋、宇称、电荷、奇异数以及质量等性质的规律性（左图）③（如何说明？），可以把已知的全部基本粒子归类，并且还给未发现的粒子预留了位置，未发现粒子的特性可以从对称的粒子特性推出。

6、1964年，盖尔曼和兹韦格（George Zweig，1937-）（右图）在强子分类八重法的基础上分别提出了更复杂的夸克模型（相当于基本粒子的“周期表”），他认为中

子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克（quark）组成的（一些中

国物理学家称其为“层子”）。

7、夸克的“种类”

1、重子和轻子、强相互作用和弱相互作用

重子这一名词是指由三个夸克（或者三个反夸克组成反重子）组成的复合粒子重子属于复合粒子，所以不是基本粒子。最常见的重子有组成日常物质原子核的质子和中子，合称为核子。

重子是强相互作用的费米子，也就是说它们遵守费米-狄拉克统计和泡利不相容原理，通过组成它们的夸克它们参加强相互作用。同时它们也参加弱相互作用和引力。带电荷的重子也参加电磁力作用。

重子：是构成原子核的基本微粒，重子有N个团子在万有引力下盘旋构成，有五种稳态结构，分别有7、8、9、11、12个团子盘旋而成，称之为重子7，重子8，重子9，重子11，重子12。轻子（lepton）就是不参与强相互作用的费米子

至今实验上还没有发现轻子有任何结构，所以通常被认为自然界最基本的粒子之一

已经发现的轻子包括电子、μ子（渺子）、τ子（陶子，重轻子）三种带一个单位负电荷的粒子，分别以e-、μ-、τ-表示，以及它们分别对应的电子中微子、μ子中微子、τ子中微子三重不带电的中微子，分别以ve、νμ、ντ表示。加上以上六种粒子各自的反粒子[1]，共计12种轻子。

轻子不一定都很轻，τ子的质量比很多重子都大

重子：……

轻子：……

（帮忙查一下各有那些？）

重子是又夸克和胶子构成的。

2、夸克的味：就是夸克的“种类”；

3、夸克的色：

由于泡利不相容原理，夸克的色分为红、绿、蓝三色，

1964年，美国科学家格林伯格（Oscar Wallace Greenberg）（左图左）引入了夸克的一种自由度——“颜色”（color）的概念。这里的“颜色”并不是视觉感受

到的颜色，而是一种新引入的量子数的代名词，与电子带电荷相

类似，夸克带颜色荷。这样，每味夸克就有三种颜色分别是红、

绿和蓝（左图右）。

4、重子的味SU(3)十重态

人类先发现usd

我们知道usd三种味的组合有10种形式uuu,uus,uud,sss,ssu,ssd,ddd,ddu,dds,usd.

这就是usd的10重态。

其中ddu为中子，duu为质子

重子的味SU(3)十重态Y-I3二维图

Y=B+S

四、把夸克的色味正反算上夸克的种类由原来的6种扩展到18种，再加上与它们对应的18种反夸克（右图），自然界一共有36种夸克。

而中子与质子可视为核子的两个不同状态，因此，中子与质子之间的转变相当于一个量子态到另一个量子态的跃迁，在跃迁过程中放出电子和中微子，它们事先并不存在于核内。正好像光子是原子不同状态之间跃迁的产物，事先并不存在于原子内。导致产生光子的是电磁相互作用，而导致产生电子和中微子的是一种新的相互作用，弱相互作用。