天文 : 量子場論 : 物理學教育 > 誇剋
目錄
No. 1
  組成質子、中子等基本粒子的更小的粒子。[英quark]
No. 2
  誇剋quark
  (噴射軌跡圖片來源:《時間簡史》圖5.2,一個質子和一個反質子在高能下碰撞,産生了一對幾乎自由的誇剋。)
  1964年,美國物理學家默裏·蓋爾曼和g.茨威格各自獨立提出了中子、質子這一類強子是由更基本的單元——quark組成的。它們具有分數電荷,是基本電量的2/3或-1/3倍,自旋為1/2。誇剋一詞是蓋爾曼取自詹姆斯·喬埃斯的小說《芬尼根徹夜祭》的詞句“為馬剋檢閱者王,三聲誇剋(three quarks for muster mark)”。誇剋在該書中具有多種含義,其中之一是一種海鳥的叫聲。他認為,這適合他最初認為“基本粒子不基本、基本電荷非整數”的奇特想法,同時他也指出這衹是一個笑話,這是對矯飾的科學語言的反抗。另外,也可能是出於他對鳥類的喜愛。
  最初解釋強相互作用粒子的理論需要三種誇剋,叫做誇剋的三種味,它們分別是上誇剋(up,u)、下誇剋(down,d)和奇誇剋(strange,s)。1974年發現了j/ψ粒子,要求引入第四種誇剋誇剋(魅誇剋)(charm,c)。1977年發現了Υ粒子,要求引入第五種誇剋誇剋(bottom,b)。1994年發現第六種誇剋誇剋(top,t),人們相信這是最後一種誇剋
  誇剋理論認為,所有的重子都是由三個誇剋組成的,反重子則是由三個相應的反誇剋組成的。比如質子(uud),中子(udd)。誇剋理論還預言了存在一種由三個奇異誇剋組成的粒子(sss),這種粒子於1964年在氫氣泡室中觀測到,叫做負ω粒子。
  中國的部分物理學家稱誇剋為層子,因為他們認為:即使層子也不是物質的始元,也衹不過是物質結構無窮層次中的一個層次而已。
  誇剋按其特性分為三代,如下表所示:
  符號 中文名稱 英文名稱 電荷(e) 質量(gev/c^2)
  u 上誇剋 up +2/3 0.004
  d 下誇剋 down -1/3 0.008
  c 粲誇剋 charm +2/3 1.5
  s 奇誇剋 strange -1/3 0.15
  t 頂誇剋 top +2/3 176
  b 底誇剋 bottom -1/3 4.7
  在量子色動力學中,誇剋除了具有“味”的特性外,還具有三種“色”的特性,分別是紅、緑和藍。這裏“色”並非指誇剋真的具有顔色,而是藉“色”這一詞形象地比喻誇剋本身的一種物理屬性。量子色動力學認為,一般物質是沒有“色”的,組成重子的三種誇剋的“顔色”分別為紅、緑和藍,因此疊加在一起就成了無色的。因此計入6種味和3種色的屬性,共有18種誇剋,另有它們對應的18種反誇剋
  誇剋理論還認為,介子是由同色的一個誇剋和一個反誇剋組成的束縛態。例如,日本物理學家湯川秀樹預言的

  是由一個上誇剋和一個反下誇剋組成的,π-介子則是由一個反上誇剋和一個下誇剋組成的,它們都是無色的。
  除頂誇剋外的五種誇剋已經通過實驗發現它們的存在,華裔科學家丁肇中便因發現粲誇剋而獲諾貝爾物理學奬。近十年來高能粒子物理學家的主攻方向之一是頂誇剋 (t)。
  至於1994年最新發現的第六種“頂誇剋”,相信是最後一種,它的發現令科學家得出有關誇剋子的完整圖像,有助研究在宇宙大爆炸之初少於一秒之內宇宙如何演化,因為大爆炸最初産生的高熱,會産生頂誇粒子。
  研究顯示,有些恆星在演化末期可能會變成“誇剋星”。當星體抵受不住自身的萬有引力不斷收縮時,密度大增會把誇剋擠出來,最終一個太陽大小的星體可能會萎縮到衹有七、八公裏那麽大,但仍會發光。
  誇剋理論認為,誇剋都是被囚禁在粒子內部的,不存在單獨的誇剋。一些人據此提出反對意見,認為誇剋不是真實存在的。然而誇剋理論做出的幾乎所有預言都與實驗測量符合的很好,因此大部分研究者相信誇剋理論是正確的。
  1997年,俄國物理學家戴阿科諾夫等人預測,存在一種由五個誇剋組成的粒子,質量比氫原子大50%。2001年,日本物理學家在sp環-8加速器上用伽馬射綫轟擊一片塑料時,發現了五誇剋粒子存在的證據。隨後得到了美國托馬斯·傑裴遜國傢加速器實驗室和莫斯科理論和實驗物理研究所的物理學家們的證實。這種五誇剋粒子是由2個上誇剋、2個下誇剋和一個反奇異誇剋組成的,它並不違背粒子物理的標準模型。這是第一次發現多於3個誇剋組成的粒子。研究人員認為,這種粒子可能僅是“五誇剋”粒子傢族中第一個被發現的成員,還有可能存在由4個或6個誇剋組成的粒子。
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  我修正一下:有人說什麽發現某某誇剋,完全是不懂科學亂杜撰。現在人類衹是大膽假設、科學求證,誇剋是為瞭解釋一些目前人類無法解釋的現象而提出的可能存在的假設,但人類一直沒找到誇剋存在的直接證據。
  1996年12月2日,《科技日報》發表了崔君達教授反駁何祚麻院士的文章《復合時空論並非病態科學》。崔在文中進一步指出:"物理學界並非全都公認誇剋的存在。不同意見早在70年代就有了。我國物理學家朱洪元,諾貝爾奬得主量子力學奠基人海德堡都認為:全世界許許多多物理學家花了那麽大的力量尋找誇剋,如果誇剋真的存在,早就應該找到了。
  這位科學家如此否認誇剋當然也不對,像那句“如果誇剋真的存在早就應該找到了”顯然是謬論,就等於說“如果癌癥真的存在早就應該治好了”一樣。
  總之科學來不得半點虛假與情緒化。誇剋不能直接證明它存在,也不能證明(哪怕間接)它不存在,它目前衹是種假設。
誇剋是什麽?
  1、所有的重子都是由三個誇剋組成的,反重子則是由三個相應的反誇剋組成的,比如質子,中子。質子由兩個上誇剋和一個下誇剋組成,中子是由兩個下誇剋和一個上誇剋組成。
誇剋的發現
  19世紀接近尾聲的時候,瑪麗·居裏打開了原子的大門,證明原子不是物質的最小粒子。很快科學家就發現了兩種亞原子粒子:電子和質子。1932年,詹姆斯·查德威剋發現了中子,這次科學家們又認為發現了最小粒子。
  20世紀30年代中期發明了粒子加速器,科學家們能夠把中子打碎成質子,把質子打碎成為更重的核子,觀察碰撞到底能産生什麽。20世紀50年代,唐納德·格拉澤(Donald Glaser)發明了“氣泡室”,將亞原子粒子加速到接近光速,然後拋出這個充滿氫氣的低壓氣泡室。這些粒子碰撞到質子(氫原子核)後,質子分裂為一群陌生的新粒子。這些粒子從碰撞點擴散時,都會留下一個極其微小的氣泡,暴露了它們的蹤跡。科學家無法看到粒子本身,卻可以看到這些氣泡的蹤跡。
  氣泡室圖像上這些細小的軌跡(每條軌跡表明一個此前未知的粒子的短暫存在)多種多樣,數量衆多,讓科學家既驚奇又惑。他們甚至無法猜測這些亞原子粒子究竟是什麽。
  默裏·蓋爾曼1929年出生於曼哈頓,是個名副其實的神童。3歲時,他就能心算大數字的乘法;7歲拼單詞比賽贏了12歲的孩子;8歲時的智力抵得上大部分大學生。可是,在學校裏他感到無聊,坐立不安,還患有急性寫作障礙。雖然完成論文和研究項目報告對他而言很簡單,他卻很少能完成。
  儘管如此,他還是順利地從耶魯大學本科畢業,先後在麻省理工學院、芝加哥大學(為費米)工作,在普林斯頓大學(為奧本海默)工作。24歲時,他决定集中精力研究氣泡室圖像裏的奇怪粒子。通過氣泡室圖像,科學家可以估測每個粒子的大小、電荷、運動方向和速度,但是卻無法確定它們的身份。到1958年,有近100個名字被用來鑒別和描述這些探測到的新粒子。
  默裏·蓋爾曼認為,如果應用關於自然的幾種基本概念,就可能會弄清楚這些粒子。他先假定自然是簡單、對稱的。他還假定像所有其他自然界中的物質和力一樣,這些亞原子粒子是守恆的(即質量、能量和電荷在碰撞中沒有丟失,而是保存了下來)。
  用這些理論作指導,到今天為止我們對物質的結構的認識蓋爾曼開始對質子分裂時的反應進行分類和簡化處理。他創造了一種新的測量方法,稱為“奇異性(strangness)”。這個詞是他從量子物理學引入的。奇異性可以測量到每個粒子的量子態。他還假設奇異性在每次反應中都被保存了下來。
  蓋爾曼發現自己可以建立起質子分裂或者合成的簡單反應模式。但是有幾個模式似乎並不遵循守恆定律。之後他意識到如果質子和中子不是固態物質,而是由3個更小的粒子構成,那麽他就可以使所有的碰撞反應都遵循簡單的守恆定律了。
  經過兩年的努力,蓋爾曼證明了這些更小的粒子肯定存在於質子和中子中。他將之命名為“k-works”,後來縮寫為“kworks”。之後不久,他在詹姆斯·喬伊斯(James Joyce)的作品中讀到一句“三聲誇剋(three quarks)”,於是將這種新粒子更名為誇剋(quark)。
  美國麻省理工學院(MIT)的傑羅姆·弗裏德曼(Jerome Friedman)、享利·肯德爾(Henry kendall)和斯坦福直綫加速器中心(SLAC)的理查德·泰勒(RichardTaylor),因1967年至1973年期間在斯坦福(Stanford)利用當時最先進的二公裏電子直綫加速器就電子對質子和中子的深度非彈性散射所做的一係列開創性的實驗工作而榮獲1990年諾貝爾物理奬.這說明,人們在科學上最終承認了誇剋的存在.
  加拿大人泰勒於1950年獲得理學學士學位,1952年獲得碩士學位,1962年在斯坦福獲得博士學位,1968年成為斯坦福直綫加速器中心的副教授,1970年提升為教授.美國人弗裏德曼於1950年在芝加哥大學獲得學士學位,1953年獲得碩士學位,1956年獲得博士學位,1960年他以副教授的身份來到麻省理工學院,1967年升為教授,1983—1988年任該院物理係主任.美國人肯德爾於1950年從阿姆海斯特學院獲得學士學位,1954年在麻省理工學院獲物理學博士學位,兩年後任斯坦福的副教授,1967年在麻省理工學院任教授.
  斯坦福直綫加速器中心所做的實驗與盧瑟福(E·Rutherford)所做的驗證原子核式模型的實驗類似.正象盧瑟福由於大量α粒子的大角度散射現象的觀察,預言原子中有核存在一樣,斯坦福直綫加速器中心由前所未料的大量電子的大角度散射現象,證實核子結構中有點狀組分,這種組分現在被理解為誇剋
  蓋爾曼(M·Gell—Mann)於1964年己預言過誇剋的存在,與此同時,加利福尼亞理工學院(Caltech)的茨威格(G·Zweig)也獨立地提出了這一預言.在斯坦福直綫加速器中心——麻省理工學院所做的實驗之前,沒有人能拿出令人信服的動力學實驗來證實質子和中子中有誇剋存在.事實上,在那段時期理論學家對強子理論中誇剋所扮演的角色還不清楚.正如喬爾斯考格(C·Jarlskog)在諾貝爾頒奬儀式上嚮瑞典國王介紹獲奬者時所說的那樣,“誇剋假說不是當時唯一的假說.例如有一個叫‘核民主’的模型,認為沒有任何粒子可以被叫做基本單元,所有粒子是同等基本的,是相互構成的.”
  1962年斯坦福開始建造大的直綫加速器,它的能量為10—20GeV,經過一係列改進後,能量可達到50GeV.兩年後,斯坦福直綫加速器中心主任潘諾夫斯基(W·Panofsky)得到幾個年輕物理學家的支持,這些人在他擔任斯坦福高能物理實驗室主任時和他共過事,泰勒就是其中一員,並擔任了一個實驗小組的領導.不久弗裏德曼和肯德爾也加入進來,他倆那時是麻省理工學院的教師,他們一直在5GeV的劍橋電子加速器上做電子散射實驗,這個加速器是一個迴旋加速器,它的容量有限.但是在斯坦福將有20GeV的加速器,它可以産生“絶對強”的射綫束、高的電流密度和外部射綫束.加利福尼亞理工學院的一個小組也加入合作,他們的主要工作是比較電子——質子散射和正電子——質子散射.這佯,來自斯坦福直綫加速器中心、麻省理工學院和加利福尼亞理工學院的科學家組成了一支龐大的研究隊伍(這支隊伍稱作A組).他們决定建造兩個能譜儀,一個是8GeV的大接受度能譜儀,另一個是20GeV的小接受度能譜儀.新設計的能譜儀和早期的能譜儀不同的地方是它們在水平方向用了直綫一點聚焦,而不是舊設備的逐點聚焦.這種新設計能夠讓散射角在水平方向散開,而動量在垂直方向散開.動量的測量可以達到0.1%,散射角的精度可以達到0.3毫弧度.
  在那時,物理學的主流認為質子沒有點狀結構,所以他們預料散射截面將隨着q2的增加迅速減小(q是傳遞給核子的四維動量).換句話說,他們預想大角度散射將會很少,而實驗結果出乎意料的大.在實驗中,他們使用了各種理論假設來估算計數率,這些假設中沒有一個包括組元粒子.其中一個假設使用了彈性散射中觀察到的結構函數,但實驗結果和理論計算相差一個到兩個數量級.這是一個驚人的發現,人們不知道它意味着什麽.世界上沒有人(包括誇剋的發明人和整個理論界)具體而確切地說:“你們去找誇剋,我相信它們在核子裏.”在這種情況下,斯坦福直綫加速器中心的理論傢比約肯(J·Biorken)提出了標定無關性的思想.當他還是斯坦福的研究生時,就和漢德(L·Hand)一起完成了非彈性散射運動學的研究.當比約肯1965年2月回到斯坦福時,由於環境的影響,自然又做起有關電子的課題.他記起1961年在斯坦福學術報告會上聽斯格夫(L·Schiff)說過,非彈性散射是研究質子中瞬時電荷分佈的方法,這個理論說明了電子非彈性散射怎樣給出原子核中中子和質子的動量分佈.當時,蓋爾曼把流代數引進場論,拋棄了場論中的某些錯誤而保持了流代數的對易關係.阿德勒(S·Adler)用定域流代數導出了中微子反應的求和規則.比約肯花了兩年時間用流代數研究高能電子和中微子散射,以便算出結構函數對整個求和規則的積分,並找出結構函數的形狀和大小.結構函數W1和W2一般來說是兩個變量的函數.這兩個變量是四維動量轉移的平方q2和能量轉移v,比約肯則認為,結構函數W2僅僅依賴於這些變量的無因次比率ω=2Mv/q2(M表示質子質量),即vW2=F(ω),這就是比約肯標度無關性.在得出標度無關性時,他用了許多並行的方法,其中最具有思辯性的是點狀結構.流代數的求和規則暗示了點狀結構,但並不是非要求點狀結構不可.然而比約肯根據這種暗示,結合雷吉極點等其它一些使求和規則收斂的強相互作用概念,自然地得出了結構函數標定無關性.
  標定無關性提出後,很多人不相信.正如弗裏德曼所說:“這些觀點提出來了,我們並不完全確認.他是一個年青人,我們感到他的想法是驚人的.我們預料看不到點狀結構,他說的衹是一大堆廢話.”1967年末和1968年初,關於深度非彈性散射的實驗數據已開始積纍.當肯德爾把嶄新的數據分析拿給比約肯看了以後,比約肯建議用標度無關變量ω來分析這些數據.按照舊方法描出的圖,肯德爾說:“數據很散,就象雞的爪印一樣布滿坐標紙.按比約肯的方法(vW2對ω)處理數據時,它們就用一種強有力的方式集中起來.我記起當時巴爾末發現他的經驗關係時的感受——氫光譜的波長被絶對精確的擬合.”1968年8月,在第十四屆國際高能物理會上,弗裏德曼報告了第一個結果,潘諾夫斯基作為大會的領導很猶豫地提出了核子點狀結構的可能性.
  當從20GeV的能譜儀收集到6°和10°散射的數據後,A組就着手用8GeV能譜儀做18°、26°和34°的散射.根據這些數據發現第二個結構函數W1也是單一變量ω的函數,也就是說遵守比約肯標度無關性.所有這些分析結果,直到今天仍然是正確的,即使經過更精確的輻射修正,其結果的差異也不大於1%.從1970年開始,實驗者們用中子作了類似的散射實驗,在這些實驗中,他們交替用氫(質子)和氘(中子)各做一個小時的測量以減小係統誤差.
  早在1968年,加利福尼亞理工學院的R·費因曼已經想到強子是由更小的“部分子”組成的.同年8月他訪問斯坦福直綫加速器中心時,看到了非彈性散射的數據和比約肯標度無關性.費因曼認為部分子在高能相對論核
  也就是說結構函數與部分子的動量分佈是相關的.這是一個簡單的動力學模型,又是比約肯觀點的另一種說法.費因曼的工作大大刺激了理論工作,幾種新的理論出現了.在凱蘭(C·Gllan)和格洛斯(D·Gross)得出W1和W2的比率R和部分子自旋緊密相關後,斯坦福直綫加速器中心—麻省理工學院
  爾曼對誇剋的要求,從而淘汰了其它的假設.中子的數據分析清楚地顯示出中子産額不同於質子産額,這也進一步否定了其它的理論假設.
  一年以後,在歐洲核子研究中心的重液泡室做的中微子非彈性散射,對斯坦福直綫加速器中心的實驗結果做了有力的擴展.為了考慮誇剋之間的電磁相互作用和中微子之間弱流相互作用的區別,把斯坦福直綫加速器中心對
  與斯坦福直綫加速器中心的數據完全符合.後來的μ子深度非彈性散射、電子—正電子碰撞、質子—反質子碰撞、強子噴註都顯示了誇剋誇剋相互作用.所有這些都強有力地證明了強子的誇剋結構.
  物理學界接受誇剋用了好幾年的時間,這主要是由於誇剋的點狀結構與它們在強子中的強約束的矛盾.正象喬爾斯考格在諾貝爾頒奬儀式上所說的那樣,誇剋理論不能完全唯一地解釋實驗結果,獲得諾貝爾奬的實驗表明質子還包含有電中性的結構,不久發現這就是“膠子”.在質子和其它粒子中膠子把誇剋膠合在一起.1973年格洛斯、威耳茨剋(F·Wilczek)和鮑裏澤爾(H·D·Politzer)獨立地發現了非阿貝爾規範場的漸近自由理論.這種理論認為,如果誇剋之間的相互作用是由色規範膠子引起的,誇剋之間的耦合在短距離內呈對數減弱.這個理論(後來被叫做量子色動力學)很容易地解釋了斯坦福直綫加速器中心的所有實驗結果.另外,漸近自由的反面,遠距離耦合強度的增加(叫紅外奴役)說明了誇剋禁閉的機製.誇剋之父,蓋爾曼1972年在第十六屆國際高能物理會議上說:“理論上並不要求誇剋在實驗室中是真正可測的,在這一點上象磁單極子那樣,它們可以在想象中存在.”總之,斯坦福直綫加速器中心的電子非彈性散射實驗顯示了誇剋的點狀行為,它是量子色動力學的實驗基礎.
外部鏈接
  所有粒子
  基本粒子
  費米子: 誇剋:u • d • s • c • b • t ‧ 輕子:e- • e+ • μ- μ+ • τ- •τ+ • νe•νμ • ντ
  玻色子: 規範玻色子:γ • g • W± • Z0
  合成粒子
  強子: 重子/超子/核子:p • n • Δ • Λ • Σ • Ξ • Ω • 介子(列表)/誇剋偶素:π • K • ρ • J/ψ • Υ
  其它: 原子核 ‧ 原子 ‧ 奇異原子:電子偶素 ‧ 分子
  假想的基本粒子
  超對稱粒子:軸子 • 伴膠子 • 伴引力子 • 伴希格斯玻色子 • 中性微子 • 標量費米子 • 標量輕子 • 標量誇剋
  其它: 軸子 • 引力子 • 希格斯玻色子 • 迅子 • X•Y • W' • Z'
  假想的合成粒子
  奇異強子: 奇異重子:五誇剋態 ‧ 奇異介子:膠球 • 四誇剋
  其它:介子分子
  準粒子
  聲子 • 激子 • 電漿子 • 電磁極化子 • 極子 • 磁振子
  基本粒子和基本交互作用
  基本粒子
  費米子: 誇剋 ‧ 輕子
  玻色子 : 膠子 ‧ 光子 ‧ W 及 Z 玻色子 ‧ 引力子 *# ‧ 希格斯玻色子*
  基本相互作用
  強相互作用 ‧ 電磁相互作用 ‧ 弱相互作用 ‧ 引力相互作用#
  (註:*:尚未發現;#:不在標準模型內)
百科辭典
  kuake
  誇剋
  quark
    見強子結構。
    
英文解釋
  1. n.:  quark
相關詞
膠子微觀學物理物理現象物質等離子原子微觀世界
亞原子費米子基本粒子原子物理名著喬伊斯蓋爾曼諾貝爾物理學奬
美國物理學家莊子循環小數
包含詞
底誇剋