關(guān)于質(zhì)子中子講座

 　　一、 質(zhì)子、中子不是點狀粒子

　　近代以來的物理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)是由不同層次的微粒構(gòu)成的，形成了一個階梯系列。二三百年前，人們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)由分子及原子組成。到19世紀(jì)末，在科學(xué)實驗基礎(chǔ)上，科學(xué)家認識到原子由原子核和核外電子構(gòu)成。原子很小，直徑約億分之一厘米。原子核大約是原子的10萬分之一，電子則更小，大約是原子的億分之一。1932年查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，人們發(fā)現(xiàn)原子核又是由質(zhì)子和中子組成的。人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究就如剝筍一樣層層盤剝下去，每一個層次的發(fā)現(xiàn)，都是對物質(zhì)結(jié)構(gòu)認識的深化。

　　到此，曾有人以為找到了構(gòu)成物質(zhì)的最小"磚塊"。然而，不久人們就發(fā)現(xiàn)了這種認識的局限性。

　　在原子核層次下面，質(zhì)子和中子是否還有其內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢?

　　通過對宇宙射線的觀察分析和高能加速器的實驗，又發(fā)現(xiàn)了比上述微粒更小、更基本的大批新粒子，如介子、中微子、反粒子以及組成質(zhì)子、中子的夸克等，達到幾百種之多。其中，大部分在自然界中并不存在，而是在高能束流的轟擊下才產(chǎn)生出來的。

　　微觀粒子之間存在不同的相互作用。根據(jù)這些相互作用力的特點，可把幾百種粒子分為強子、輕子和傳播子三類。

　　強子是指參與強相互作用的那些粒子，包括質(zhì)子。中子、π介子等。強子有其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由夸克組成。夸克有上、下、奇、粲、底、頂6類，每類有3種，共18種。1995年，科學(xué)家用高能物理實驗證實了頂夸克存在的預(yù)言，這是近年來關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的一項重大進展。

　　輕子與強作用無關(guān)，只參與弱力、電磁力和引力相互作用，如電子、中微子、μ子、τ子等。1992年，我國北京正負電子對撞機成功實現(xiàn)了τ輕子質(zhì)量的精確測定，取得了國際高能物理界矚目的結(jié)果，使我國在該高科技領(lǐng)域占有一席之地。

　　微觀世界作用力的傳遞是由粒子完成的。

　　這些粒子即稱傳播子，也屬于基本粒子范疇，傳遞強力的稱膠子，傳播電磁力的是光子，弱力的傳播子是中間玻色子W+、W+和Z0。

　　夸克、輕子是不是就是最基本的物質(zhì)結(jié)構(gòu)單元呢?也不是。已有許多跡象表明，它們也可能還存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對更微觀層次的探究，是當(dāng)代科學(xué)研究的最前沿之一。1979年的諾貝爾物理獎得主格拉肖曾建議，假如一旦在實驗上發(fā)現(xiàn)了比夸克更小的微粒，應(yīng)命名為"毛子"，以紀(jì)念毛澤東關(guān)于物質(zhì)無限可分的哲學(xué)思想。這一設(shè)想雖尚未實現(xiàn)，但說明了科學(xué)家對辯證思維的重視。

　　質(zhì)子和中子不是點粒子，它們都具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在30年代，理論物理學(xué)家認為作為核子的質(zhì)子和中子是基本粒子，應(yīng)該象點粒子，根據(jù)狄拉克的相對論性波動方程，質(zhì)子的磁矩是一個單位核磁子，中子由于不帶電，因而磁矩是零。但出乎意料的是，實驗家斯特恩測得的質(zhì)子磁矩卻為5.6個單位核磁子，中子磁矩也不是零，而是-3.82個單位核磁子，與點粒子理論相悖。這些都清楚地說明質(zhì)子、中子并不是我們想象的那樣簡單，它們可能是具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。60年代，霍夫斯塔特等人用高能電子轟擊核子，證明核子電荷呈彌散分布，核子的確具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。既然核子并不是點粒子，那么其內(nèi)部的物質(zhì)是怎樣分布的呢?也許有三種情形：或者核子內(nèi)有一個硬核，核子象一枚桃子;或有許多顆粒，象石榴一樣有許多子;或沒有顆粒，疏松如棉絮狀。具體屬哪一種情形，要靠深度非彈性散射實驗來作進一步?jīng)Q定。

　　深度非彈性散射實驗指用極高能電子去撞擊質(zhì)子或中子，使后者激發(fā)到一個個分立的能級即共振態(tài)，甚至達到使π介子離化出來的連續(xù)激發(fā)態(tài)。非彈性散射實驗會改變質(zhì)子、中子的靜止質(zhì)量。實驗表明，質(zhì)子、中子內(nèi)部有一個個點狀的準(zhǔn)自由的粒子，它們攜帶有一定動量和角動量。那么質(zhì)子、中子內(nèi)的這些點狀粒子是什么呢?具有些什么性質(zhì)?

　　二、 夸克模型——夸克的味和色

　　1964年，美國科學(xué)家蓋爾曼(見右圖)提出了關(guān)于強子結(jié)構(gòu)的夸克模型。強子是粒子分類系統(tǒng)的一個概念，質(zhì)子、中子都屬于強子這一類。"夸克"(quark)一詞原指一種德國奶酪或海鷗的叫聲。蓋爾曼當(dāng)初提出這個模型時，并不企求能被物理學(xué)家承認，因而它就用了這個幽默的詞。夸克也是一種費米子，即有自旋1/2 。因為質(zhì)子中子的自旋為1/2，那么三個夸克，如果兩個自旋向上，一個自旋向下，就可以組成自旋為1/2的質(zhì)子、中子。兩個正反夸克可以組成自旋為整數(shù)的粒子，它們稱為介子，如π介子、 J/ψ子，后者由丁肇中等人于1974年發(fā)現(xiàn)，它實際上是由粲夸克和反粲夸克組成的夸克對。凡是由三個夸克組成的粒子稱為重子，重子和介子統(tǒng)稱強子，因為它們都參與強相互作用，故有此名。原子核中質(zhì)子間的電斥力十分強，可是原子核照樣能夠穩(wěn)定存在，就是由于強相互作用力(核力)將核子們束縛住的。由夸克模型，夸克是帶分數(shù)電荷的，每個夸克帶+2/3e或-1/3e電荷(e為質(zhì)子電荷單位)。現(xiàn)代粒子物理學(xué)認為，夸克共有6種(味道)，分別稱為上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、頂夸克、底夸克，它們組成了所有的強子，如一個質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克組成，一個中子由兩個下夸克和一個上夸克組成，則上夸克帶+2/3e電荷，下夸克帶-1/3e電荷。上、下夸克的質(zhì)量略微不同。中子的質(zhì)量比質(zhì)子的質(zhì)量略大一點點，過去認為可能是由于中子、質(zhì)子的帶電量不同造成的，現(xiàn)在看來，這應(yīng)歸于下夸克質(zhì)量比上夸克質(zhì)量略大一點點。

　　雖然夸克模型當(dāng)時取得了許多成功，但也遇到了一些麻煩，如重子的夸克結(jié)構(gòu)理論認為，象Ω-和Δ++這樣的重子可以由三個相同夸克組成，且都處于基態(tài)，自旋方向相同，這種在同一能級上存在有三個全同粒子的現(xiàn)象是違反泡利不相容原理的。泡利不相容原理說的是兩個費米子是不能處于相同的狀態(tài)中的。夸克的自旋為半整數(shù)，是費米子，當(dāng)然是不能違反泡利原理的。但物理學(xué)家自有辦法，你不是說三個夸克全同嗎?那我給它們來個編號或著上"顏色"(紅、黃、藍)，那三個夸克不就不全同了，從而不再違反泡利原理了。的確，在1964年，格林伯格引入了夸克的這一種自由度--"顏色"的概念。當(dāng)然這里的"顏色"并不是視覺感受到的顏色，它是一種新引入的自由度的代名詞，與電子帶電荷相類似，夸克帶顏色荷。這樣一來，每味夸克就有三種顏色，夸克的種類一下子由原來的6種擴展到18種，再加上它們的反粒子，那么自然界一共有36種夸克，它們和輕子(如電子、 μ子、τ子及其相應(yīng)的中微子)、規(guī)范粒子(如光子、三個傳遞控制夸克輕子衰變的弱相互作用的中間玻色子、八個傳遞強(色)相互作用的膠子)一起組成了大千世界。夸克具有顏色自由度的理論得到了不少實驗的支持，在70年代發(fā)展成為強相互作用的重要理論--量子色動力學(xué)。

　　三、量子色動力學(xué)及其特點

　　"量子色動力學(xué)"這一名稱聽起來有點可怕，念起來有點拗口，應(yīng)該這樣念：量子/色/動力學(xué)。這個理論認為，夸克是帶有色荷的，膠子場是夸克間發(fā)生相互作用的媒介。這不禁讓我們想起電子是帶有電荷的，傳遞電子間相互作用的媒介是電磁場(光子場)。的確，關(guān)于電荷的動力學(xué)我們早已有了，它叫"量子電動力學(xué)"，發(fā)展于三四十年代。一般讀者對電磁相互作用都有點熟悉，因此就以它為例來理解質(zhì)子中子內(nèi)的色相互作用。電磁場的麥克斯韋方程的量子化就是量子電動力學(xué)，具體地說，量子電動力學(xué)就是研究電子和光子的量子碰撞(即散射)的，自然，量子色動力學(xué)是研究夸克和膠子的量子碰撞的。

　　膠子是色場的量子，就象光子是電磁場的量子一樣。膠子和光子都是質(zhì)量為0、自旋為1、傳遞相互作用的媒介粒子，都屬于規(guī)范粒子。兩個電子發(fā)生相互作用是靠傳遞一個虛光子而發(fā)生的(虛光子只在相互作用中間過程產(chǎn)生，其能量和動量不成正比，不能獨立存在，在產(chǎn)生后瞬時就湮滅。由相對論知道，自由運動的電子不能發(fā)射實光子，但可以發(fā)射虛光子。給予我們光明和熱能的是實光子，它的能量和動量成正比，脫離源后，能獨立存在)，自然，兩個夸克發(fā)生相互作用是靠傳遞一個虛膠子而發(fā)生的。虛膠子攜帶著一個夸克的部分能量和動量，交給另一個夸克，于是兩個夸克就以膠子為紐帶發(fā)生了相互作用。看到這里，我們會說，不是重復(fù)了一下嗎?量子色動力學(xué)可以由量子電動力學(xué)依葫蘆畫瓢建立起來，真是太容易了!不過實際上沒有這么簡單。按群論的語言講，電磁場是U(1)規(guī)范場，是一種阿貝爾規(guī)范場，群元可以交換，而膠子場是SU(3)規(guī)范場，是一種非阿貝爾規(guī)范場，群元不可以交換。一般來說，"非"總比"不非"要麻煩得多。電荷只有一種，而色荷卻有三種(紅、黃、藍);U(1)群的生成元只有一個，就是1，所以光子只有一種，而U(3)群有八個生成元，一個生成元對應(yīng)一種膠子，所以膠子共有八種;光子不帶電荷，而膠子場由于是非阿貝爾規(guī)范場，場方程具有非線性項，體現(xiàn)了膠子的自相互作用，因而膠子也帶色荷，夸克發(fā)射帶色的膠子，自身改變顏色。所以膠子場比電磁場復(fù)雜，因而出現(xiàn)了許多不同尋常的現(xiàn)象和性質(zhì)，其中最重要的恐怕要數(shù)"漸近自由"和"夸克幽禁"了。

　　"漸近自由"說的是兩個夸克之間距離很小時，耦合常數(shù)也會變得很小，以致夸克可以看成是近自由的。耦合常數(shù)變小是由于真空的反色屏蔽效應(yīng)引起的。真空中的夸克會使真空極化(即它使真空帶上顏色)，夸克與周圍真空的相互作用導(dǎo)致由真空極化產(chǎn)生的虛膠子和正反虛夸克的極化分布，最終效果使夸克色荷變大，這稱為色的反屏蔽效應(yīng)(對于電荷，剛好相反，由于真空極化導(dǎo)致電荷吸引反號電荷的虛粒子，所以總電荷減少，這稱為電的屏蔽效應(yīng)。與它作比較，色的反屏蔽效應(yīng)這一術(shù)語由此而來)。由于這一效應(yīng)，在離夸克較小距離上看來，大距離的夸克比它帶的色荷多，所以小距離上強作用相對而言變?nèi)趿耍@就是所謂"漸近自由"。漸近自由是量子色動力學(xué)的一項重要成果，它使得高能色動力學(xué)可以用微擾理論計算。但是在低能情形或者說大距離情形，由于耦合常數(shù)變強及存在幽禁力，計算變得困難。

　　量子色動力學(xué)可以預(yù)言小距離的"漸近自由"，但是對大距離的"夸克幽禁"，量子色動力學(xué)就無法預(yù)言了，這是量子色動力學(xué)的困難。

　　"夸克幽禁"說的是夸克無法從質(zhì)子中逃逸出去。紅黃藍三色夸克組成無色態(tài)，強子都是無色的。一旦夸克可以從質(zhì)子或強子中跑出來，自然界就會存在帶色的粒子;帶色的粒子引起真空的進一步極化，色荷之間的幽禁勢是很大的，整個真空都帶上了顏色，能量很高，導(dǎo)致真空爆炸。實際這些都沒有發(fā)生，暗示自然界不存在游離的夸克，那么我們會問：夸克倒底是一個數(shù)學(xué)技巧還是一個物理實在?研究這一問題，是對夸克模型的考驗。不過，現(xiàn)在因為已有了夸克存在的間接證據(jù)，物理學(xué)家相信夸克是應(yīng)該的確存在的。夸克為什么要被幽禁起來，物理學(xué)家已提出了幾個理論。有人提出口袋模型，如認為質(zhì)子是一只受真空擠壓的口袋，可將夸克束縛住而逃不出來;有人提出了弦理論，認為夸克綁在弦的兩端，而這條弦卻難以斷裂，即使一旦斷裂，斷裂處生成一對正反夸克，原來的強子碎裂為兩個新的強子，從而自由的夸克從來不可能出現(xiàn);也有人說，既然膠子帶色荷，膠子之間也會有色磁吸引力，從而色力線被拉緊呈平行狀，就如一個帶電電容器兩板因為有平行的電力線因而彼此有吸引一樣，夸克之間也有類似這種吸引力;格點規(guī)范理論的面積定律證明夸克之間有線性禁閉勢存在;90年代中期塞伯和威滕用他們發(fā)展的四維空間量子場論證明磁單極凝聚也會導(dǎo)致夸克幽禁。關(guān)于夸克幽禁的理論有許多，正好說明了我們對強力的了解還不夠充分。

　　四、 核子結(jié)構(gòu)圖象與核子衰變

　　對介子譜的研究表明，夸克之間除了由于單膠子交換引起的色庫侖力外，還有色禁閉力，其勢是隨距離線性增長的，正如上面所說，雖然不清楚線性禁閉勢的來源，但可以認為正是這個勢導(dǎo)致了夸克幽禁。但是這一觀點也許要受到挑戰(zhàn)。因為用相對論性波動方程解介子能譜，發(fā)現(xiàn)在無窮遠處波函數(shù)并不收斂至零，而是一個散射解。這意味著我們應(yīng)探測到游離的夸克，但實際并不如此。那這些散射解是怎么產(chǎn)生的呢?原來禁閉勢在無窮遠處十分巨大，以致擾動真空導(dǎo)致正反夸克產(chǎn)生。實際沒有測到這些產(chǎn)生的夸克，一個原因可能是大距離時夸克的質(zhì)量也會變得十分巨大，遠遠超過了線性勢，抑制了真空擾動產(chǎn)生正反夸克的能力。夸克質(zhì)量會隨距離增大而增大，可能可以用真空色電極化(導(dǎo)致真空帶上顏色)來解釋。真空色電極化使得色荷象滾雪球一樣越來越大，夸克能量和質(zhì)量也相應(yīng)越來越大，浸在真空中的單一夸克質(zhì)量巨大，真空沒有足夠的能量產(chǎn)生這些夸克，也許這最終導(dǎo)致了夸克幽禁。

　　對于強子結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在對不同的能態(tài)用不同的理論模型來描述。基態(tài)質(zhì)子和中子，可以用量子力學(xué)的薛定諤方程求解，強子質(zhì)量主要由夸克承擔(dān);對于處于激發(fā)態(tài)的共振粒子，弦模型比較成功，該模型認為重子和介子的質(zhì)量和自旋主要由弦(色力線管)提供;對于更高能的強子激發(fā)態(tài)，由于真空色電極化十分強大，因而強子質(zhì)量主要就是色電極化質(zhì)量，夸克的質(zhì)量和弦的質(zhì)量十分微小。現(xiàn)在對處于不同能態(tài)的質(zhì)子、中子結(jié)構(gòu)還無法用一個統(tǒng)一的理論來描述。

　　上面討論的是質(zhì)子中子及其共振態(tài)的靜態(tài)性質(zhì)，下面談一下它們的衰變問題。原子核內(nèi)的質(zhì)子中子是穩(wěn)定的，但自由的中子是不穩(wěn)定的，壽命約為11分鐘。中子的質(zhì)量比質(zhì)子略大一些，因而可以有足夠的能量衰變?yōu)橘|(zhì)子，并放出一個電子和一個電子型反中微子。在夸克水平上解釋這一過程，實際上就是：中子內(nèi)的一個下夸克(帶-1/3e電荷)放出一個傳遞弱相互作用的中間玻色子W- ，自身變成上夸克(帶+2/3e電荷)，W-又衰變?yōu)橐粋€電子和一個電子型反中微子。由于質(zhì)子中子的重子數(shù)都為+1，輕子數(shù)為0，電子和電子型中微子的重子數(shù)為0，輕子數(shù)分別為+1和-1，所以這一過程重子數(shù)、輕子數(shù)都守恒。現(xiàn)在的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型(量子電動力學(xué)、弱電統(tǒng)一理論、量子色動力學(xué))認為重子數(shù)是守恒的，質(zhì)子已是最輕的重子，所以它不能再衰變?yōu)槠渌刈樱怯篮愕摹Ｓ捎谌藗兠嬗龅奈镔|(zhì)世界主要就是由重子組成的，所以很容易相信質(zhì)子是永恒的。但是有一種理論卻預(yù)言這種觀念是不對的，質(zhì)子會衰變成正電子和中性π介子，重子數(shù)和輕子數(shù)并不絕對守恒。這種理論是大統(tǒng)一理論，它企圖把強、弱、電相互作用統(tǒng)一起來，用一個耦合常數(shù)來描寫。大統(tǒng)一理論包含著標(biāo)準(zhǔn)模型，但比標(biāo)準(zhǔn)模型來得更大，因而有更多的傳遞相互作用的規(guī)范玻色子。雖然這些規(guī)范玻色子是一種超弱場的量子，但質(zhì)子中的下夸克卻會釋放這種規(guī)范玻色子，自身變成正電子，而質(zhì)子內(nèi)的一個上夸克吸收這個規(guī)范玻色子，變成上夸克的反粒子(反上夸克)，這個反上夸克與質(zhì)子內(nèi)的另一個上夸克結(jié)合成中性π介子。由于引起這種夸克-輕子轉(zhuǎn)化的場十分弱，所以質(zhì)子雖然要衰變，但衰變壽命是很長的，大約為一千萬億億億年，而我們的宇宙壽命也只有幾百億年，所以質(zhì)子平均壽命比宇宙壽命長十萬億億倍。在你一生當(dāng)中，你體內(nèi)的質(zhì)子只能衰變零點幾個，不必擔(dān)心質(zhì)子衰變會給我們的生活帶來什么不便。質(zhì)子衰變還只是一個理論預(yù)言，實驗的證明還沒有完全結(jié)束。

　　前面提到，質(zhì)子中的點粒子是夸克，實際上它們還包括膠子和不斷產(chǎn)生、湮滅的海夸克。過去認為質(zhì)子自旋為1/2，是由三個夸克提供的，而如今的研究卻不能支持這一觀點，質(zhì)子中的三個夸克的總角動量只占質(zhì)子自旋的15%，而大部分自旋也許由膠子和海夸克承擔(dān)。這被稱為"質(zhì)子自旋危機"，是個熱門課題。

　　五、簡短總結(jié)

　　雖然膠子的存在證據(jù)也有了，頂夸克存在的證據(jù)也在1995年找到了，但是對于強子結(jié)構(gòu)的研究和自由夸克的探索還需走更長遠的路。夸克幽禁的根本原因倒底是線性禁閉勢的存在還是色電極化所致，夸克幽禁是暫時的還是永久的，值得繼續(xù)研究。如果夸克是永久性禁閉的，強子永遠是無色的，正應(yīng)了一句話："色即空，空即色。"孰是孰非，有待高能物理及其理論的繼續(xù)發(fā)展。