是否有比夸克更小的粒子?科學家:目前還不清楚
2019年10月25日08:21
夸克是所有物質的基本組成單元,但似乎不能再繼續分割為更小的結構
夸克是所有物質的基本組成單元,但似乎不能再繼續分割為更小的結構

  新浪科技訊 北京時間10月25日消息,質子和中子是構成原子核的粒子,看起來似乎已經足夠微小。但科學家表示,這些亞原子粒子其實是由更小的粒子組成,他們將這些粒子稱為夸克。

  “我認為最簡單的說法是,夸克是物質的基本組成部分,構成了我們周圍的一切,”理論物理學家傑弗里·韋斯特解釋道。韋斯特在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室建立了高能物理研究小組,現在是聖塔菲研究所的傑出教授。

  與電子和其他輕子一樣,夸克似乎不能再繼續分割為更小的結構。夸克是如此之小,以至於關於其大小的描述聽起來都令人難以置信。倫敦大學學院物理學教授喬恩·巴特沃斯(Jon Butterworth)解釋道,夸克的半徑大約是質子半徑的2000倍,而質子的半徑比一粒沙子小2.4萬億倍。

  1964年首次提出

  最早在1964年,加州理工學院的理論物理學家默里·蓋爾曼(Murray Gell-Mann)首次提出了夸克模型。他是發展粒子物理學標準模型的關鍵人物之一,也是1969年諾貝爾物理學獎得主。蓋爾曼指出,要想解釋質子和中子的性質,就必須假定它們由更小的粒子組成。與此同時,加州理工學院的另一位物理學家喬治·茨威格(George Zweig)也獨立地提出了這個想法。

  從1967年到1973年,在斯坦福直線加速器中心(現稱為SLAC國家加速器實驗室)進行的實驗證實了夸克的存在。正如韋斯特所解釋的,夸克的一個奇怪之處在於,它們可以被觀察到,但不能被分離。“一個細微的區別在於,”他說,“它們和電子一樣都是基本粒子,但對於電子,我們可以觀察並分離它們。你可以指出某個電子的方向。對於夸克,你不可能從原子核中取出一個放到桌子上,對它進行檢驗。”

  利用龐大的粒子加速器,科學家可以加速電子,並利用它們來探測原子核內部的秘密。如果電子撞擊到足夠深的地方,就會使夸克脫離,科學家就可以用非常精密的探測器來測量夸克。“我們重建了目標中組成質子和中子的基本單元,”韋斯特說。“你可以看到這些小點,我們把它們稱為夸克。”

  夸克有六種類型

  與質子相比,夸克只帶有部分電荷。根據質量,夸克可以分為六種類型,即六種“味”,分別是上、下、粲、奇、底和頂。它們還有一種名為“色荷”的性質,用來描述強相互作用如何把它們結合在一起。色荷由膠子攜帶,膠子也是一種基本粒子,負責在兩個夸克之間傳遞強相互作用,就像光子負責在兩個帶電粒子之間傳遞電磁力一樣。

  美國堪薩斯大學的一個物理學研究小組計劃使用大型強子對撞機(LHC)上的一個設備來研究夸克和膠子之間的強相互作用。大型強子對撞機是世界上最強大的粒子加速器,位於法國和瑞士之間一條27公里長的隧道內。

  “我們的想法是更好地瞭解質子和重離子——比如鉛——的結構,並研究一種叫做‘飽和(膠子狀態)’的新現象,”這項研究的領導者、堪薩斯大學物理學教授克里斯托夫·羅永(Christophe Royon)解釋道,“當兩個質子或兩個離子以極高的能量碰撞時,我們可以很靈敏地探測到它們的子結構——夸克和膠子,從而探測到某些膠子密度變得非常大的區域。”

  “我們可以類比紐約高峰時段的地鐵,此時地鐵完全擠滿了,”克里斯托夫補充道,“在這種情況下,膠子的行為不是單一的,而是可以表現出集體行為,就像擁擠的地鐵一樣,如果有人摔倒了,每個人都會感覺到,因為人們離得很近。在某種程度上,質子或重離子可以表現得像一個固體,像一塊玻璃,這種狀態稱為‘色玻璃凝聚態’。這是我們希望在大型強子對撞機上看到的,也希望在美國未來的電子-離子對撞機上能看到。”

  如果能找到這種稠密膠子物質存在的證據,或許將回答關於夸克最大的一個未解問題。“這是物質的一種新狀態,”克里斯托夫說,“相對論性重離子對撞機(RHIC)或大型強子對撞機已經提供了一些暗示,但一切都還不確定。這將是一個重要的發現,大型強子對撞機和電子-離子對撞機都是觀察這一現象的理想設備。”

  科學家還想解答的另一個重要問題是,是否有比夸克更小的東西?“是否還存在另一個層次?”韋斯特說,“我們不知道答案。”(任天)

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