輕子、夸克和質子、中子、電子之間的關係是什麼?

2020-11-23 騰訊網

　　我們可以把這些粒子歸入一個有序體系，並用下列的參數來區分它們：電荷、總自旋（也就是量子機械性本徵旋轉）以及受到強相互作用的影響。

　　輕子

　　自旋為1/2，不參與強相互作用。一共有六種輕子，三種帶電荷，另外三種不帶電荷。

　　三種帶電荷的輕子分別為：

　　電子（標記為e），能量為0.511 MeV, 穩定；

　　μ子（標記為μ），能量為160 MeV，不穩定；

　　τ子（標記為τ），能量為1777 MeV，不穩定；

　　剩下三種不帶電荷的輕子，即中微子，幾乎是無質量的。這三種中微子與前面提到的電子、μ子和τ子對應，分別是電子中微子（縮寫為νe），μ子中微子（縮寫為νμ）和τ子中微子（縮寫為ντ）。

　　上述的每一種輕子，存在與之對應的反粒子。需要注意的是，反粒子和中微子也不是完全相同的。

　　根據現有的物理學知識，這六種輕子是構成物質的基本組元。

　　電子中微子只能通過弱相互作用力轉變成電子，反之亦然，但電子中微子或電子絕不會變成μ子或者τ子。同樣的規則也適用於μ子或者τ子。

　　強子

　　這些粒子受到強相互作用（強核作用力）。自然界存在著許多種強子，儘管這些強子的帶電量和自旋值不盡相同，但都滿足兩條規律：帶電量為整數且是元電荷的 -2 ~ +2 倍；半數自旋值和整數自旋值在0 ~ 3/2 之間。那些擁有整數自旋值（0或1）的強子叫做介子，而那些擁有半數自旋值（1/2或3/2）的強子叫做重子，後者包括質子和中子。

　　讓我們列舉一些能表明強子內部結構的事實。

　　自然界存在許多種不同的強子。對於一些強子而言，例如質子、中子或帶電的介子，它們的粒徑可以有一定程度的擴張，大約在0.5 ~ 1 費米【1費米 = 10^-15米】。值得注意的是，質量相近的強子一次又一次地成群出現。

　　基於上述和其它的事實，Gell-Mann, Zweig和其他學者於1964年提出這樣的假說：所有的強子都僅由少數幾種基本單元組合而成，即所謂的夸克。質子由兩個上夸克（帶電荷為+2/3）和一個下夸克（帶電荷為-1/3）組成。

　　直到現在，人們還沒能在任何檢測器中觀測到任意一個自由活動的夸克，現在人們也這是不可能的。但是，強子中的夸克還是可以通過一些方法被具體的檢測到，比如高能電子轟炸（此方法類似於盧瑟福所做的散射實驗，據此他證明了原子內部原子核的存在）。

　　那一共有多少種作為基本單元的夸克呢？最開始，人們認為只有兩種，即上夸克和下夸克（分別用字母u和d來代表）。上夸克和下夸克可以組成質子（uud，即兩個上夸克和一個下夸克）和中子（udd，即一個上夸克和兩個下夸克）。然而，隨著研究的深入，人們發現了四種新的夸克，它們分別被稱為奇夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克（分別用s，c，b，t來代表）。這其中最重的夸克是頂夸克，直到1995年才被檢測到。值得注意的是，這六種夸克可以類比輕子來進行排列。

　　人們用上、下、奇、粲、底、頂的方式來命名夸克。每個上夸克擁有+2/3的電荷（相應的反夸克則擁有-2/3的電荷），下夸克則擁有-1/3的電荷（相應的反夸克則擁有+1/3的電荷）。即使每個夸克擁有的電荷數是1/3的整數倍，但迄今所知的所有強子都擁有整數倍的電荷。人們發現所有的重子都由三個夸克或反夸克組成，而所有的介子都僅由一個夸克和反夸克組成。故而，強子所帶電荷數必然是整數。

　　如果要測定一個夸克的質量，必須要保證這個夸克可以無拘束地活動，但是固有的局限是，自然界不存在可以自由活動的夸克。相應的，人們提出兩種方法，在某種程度上表徵夸克的質量。第一種方法是，忽略夸克之間的結合能，並假設一個強子的總質量等於其所含夸克質量的總和。例如，如果上夸克和下夸克的質量都被估計為320MeV/c^2，據此，算出的質子（夸克組合uud）和中子（夸克組合udd）的質量可以符合測量值。這種方法測算得到的夸克質量，被稱之為「組分夸克質量」。

　　另外，我們可以用簡單模型（如，非相對論夸克模型）來粗略估計夸克之間的作用力。這種模型假設作用力是恆定的，無論夸克間的距離有多大，換言之作用力與距離長短無關。基於這種模型的假設，夸克永遠不能脫離相互作用，成為自由運動的粒子，這符合了前述的夸克運動的限制條件。

　　現在，我們來看看第二種定義夸克質量的方法。強相互作用力將夸克結合在一起，形成強子。強相互作用力的一種性質是，漸進自由性，即：隨著距離的縮短，夸克的有效色荷會減弱。據此，可行的辦法是，用電子來撞擊夸克，依據量子場理論來近似夸克的運動軌跡（至少在初始階段的軌跡），最後確定夸克的近似質量。通過這種方法得到的夸克質量，稱之為「流夸克質量」。

　　在這六種夸克中，頂夸克有著特殊的地位。它的質量很大，故而衰變速率很快，壽命極短。它甚至來不及形成強子就衰變了。

　　總體來說，流夸克質量比組分夸克質量要小。對於三種輕質量的夸克，上夸克、下夸克和奇夸克，兩種質量之間的差值約為300 MeV/c^2。打個比方，組分夸克可以被看作是一個帶殼的流夸克，這個殼的質量在300 MeV/c^2到500 MeV/c^2之間。

　　只有那些帶色荷的粒子，更準確地說，帶有不為0的色荷向量的粒子，才會受到強相互作用的影響。

　　強相互作用力作用於帶色荷粒子，依靠的是膠子的傳遞。

　　膠子最早於1979年在德國漢堡的德國電子同步加速器研究所（DESY）的正電子-電子串聯環加速器（PETRA）被觀測到。自然界一共存在八種不同的膠子，每一種膠子帶有不同的色荷組合。六種膠子各擁有兩種色荷，剩下的兩種膠子分別擁有四種和六種色荷。

　　強相互作用不僅將夸克結合在一起形成質子和中子，還作用於原子核內的質子和中子之間（即核能），並且還存在於放射性衰變中。

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