对于强子结构,现在对不同的能态用不同的理论模型来描述 。
基态质子和中子,可以用量子力学的薛定谔方程求解,强子质量主要由夸克承担;对于处于激发态的共振粒子,弦模型比较成功,该模型认为重子和介子的质量和自旋主要由弦(色力线管)提供;对于更高能的强子激发态,由于真空色电极化十分强大,因而强子质量主要就是色电极化质量,夸克的质量和弦的质量十分微小 。现在对处于不同能态的质子、中子结构还无法用一个统一的理论来描述 。
上面讨论的是质子中子及其共振态的静态性质,下面谈一下它们的衰变问题 。原子核内的质子中子是稳定的,但自由的中子是不稳定的,寿命约为11分钟 。中子的质量比质子略大一些,因而可以有足够的能量衰变为质子,并放出一个电子和一个电子型反中微子 。在夸克水平上解释这一过程,实际上就是:中子内的一个下夸克(带-1/3e电荷)放出一个传递弱相互作用的中间玻色子W-,自身变成上夸克(带+2/3e电荷),W-又衰变为一个电子和一个电子型反中微子 。由于质子中子的重子数都为+1,轻子数为0,电子和电子型中微子的重子数为0,轻子数分别为+1和-1,所以这一过程重子数、轻子数都守恒 。现在的粒子物理标准模型(量子电动力学、弱电统一理论[12]、量子色动力学)认为重子数是守恒的,质子已是最轻的重子,所以它不能再衰变为其他重子,它是永恒的 。由于人们面遇的物质世界主要就是由重子组成的,所以很容易相信质子是永恒的 。但是有一种理论却预言这种观念是不对的,质子会衰变成正电子和中性π介子,重子数和轻子数并不绝对守恒 。这种理论是大统一理论,它企图把强、弱、电相互作用统一起来,用一个耦合常数来描写 。大统一理论包含着标准模型,但比标准模型来得更大,因而有更多的传递相互作用的规范玻色子 。虽然这些规范玻色子是一种超弱场的量子,但质子中的下夸克却会释放这种规范玻色子,自身变成正电子,而质子内的一个上夸克吸收这个规范玻色子,变成上夸克的反粒子(反上夸克),这个反上夸克与质子内的另一个上夸克结合成中性π介子 。由于引起这种夸克—轻子转化的场十分弱,所以质子虽然要衰变,但衰变寿命是很长的,大约为一千万亿亿亿年,而我们的宇宙寿命也只有几百亿年,所以质子平均寿命比宇宙寿命长十万亿亿倍 。在你一生当中,你体内的质子只能衰变零点几个,不必担心质子衰变会给我们的生活带来什么不便 。质子衰变还只是一个理论预言,实验的证明还没有完全结束 。
前面提到,质子中的点粒子是夸克,实际上它们还包括胶子和不断产生、湮灭的海夸克 。过去认为质子自旋为1/2,是由三个夸克提供的,而如今的研究却不能支持这一观点,质子中的三个夸克的总角动量只占质子自旋的15%,而大部分自旋也许由胶子和海夸克承担 。这被称为“质子自旋危机”,是个热门课题 。
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所谓基本粒子就是构成物质的最基本的单元 。根据作用力的不同,粒子分为强子、轻子和传播子三太类 。
强子就是是所有参与强力作用的粒子的总称 。它们由夸克组成,已发现的夸克有五种,它们是:上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克和底夸克 。理论预言还有第六种夸克存在,已命名为顶夸克,但目前尚未发现 。现有粒子中绝大部分是强子,质子、中子、π介子等都属于强子 。
轻子就是只参与弱力、电磁力和引力作用,而不参与强相互作用的粒子的总称 。轻子共有六种,包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子 。电子、μ子和τ子是带电的,所有的中微子都不带电;τ子是1975年发现的重要粒子,不参与强作用,属于轻子,但是它的质量很重,是电子的3600倍,质子的1.8倍,因此又叫重轻子 。
传播子也属于基本粒子 。传递强作用的胶子共有8种,1979年在三喷注现象中被间接发现,它们可以组成胶子球,但至今尚未被直接观测到 。传递弱作用的W+,W-和Z0 。中间玻色子是1983年发现的,非常重,是质子的80一90倍 。
基本粒子要比原子、分子小得多,现有最高倍的电子显微镜也不能观察到 。质子、中子的大小,只有原子的十万分之一 。而轻子和夸克的尺寸更小,还不到质子、中子的万分之一 。
粒子的质量是粒子的另外一个主要特征量 。按照粒子物理的 规范理论,所有规范粒子的质量为零,而规范不变性以某种方式 被破坏了,使夸克、带电轻子、中间玻色子获得质量 。现有的粒子质量范围很大,从0到90吉电子伏 。光子、胶子是无质量的,电子质量很小,只有0.5兆电子伏,π介子质量为电子质量的280倍;质子、中子都很重,接近电子质量的2000倍,约为1吉电子伏,已知最重的粒子是Z0,其质量为90吉电子伏 。己发现的五种夸克,从下夸克到底夸克,质量从轻到重 。下夸克质量只有0.3吉电子伏,而底夸克重达5吉电子伏,顶夸克还没有发现,理论预言它的质量可能超过100吉电子伏 。中微子的质量非常小,目前己测得的电子中微子的质量小于7电子伏,即为电子质量的七万分之一,已非常接近零 。
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