【原】最小的粒子？夸克會(huì)是萬(wàn)物之基嗎？答案很奇妙

天文在線 2023-12-05 發(fā)布于云南

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無(wú)處不在，無(wú)所不見(jiàn)的夸克

什么是夸克？

在構(gòu)成我們身體的原子深處，甚至在構(gòu)成原子核的質(zhì)子和電子內(nèi)部，都存在著一種微小粒子——夸克。

白色漩渦圖案和藍(lán)色背景相交織的藝術(shù)家插圖。

（圖片來(lái)源: 蓋帝圖像的最佳設(shè)計(jì)圖）

夸克是宇宙中一切可見(jiàn)物質(zhì)最基本的組成部分。如果放大我們體內(nèi)的一個(gè)原子，能看到原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成，電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。如果放大一個(gè)質(zhì)子或中子，能看到該粒子本身是由3個(gè)微粒構(gòu)成，這些微粒非常小，大小幾乎可以完全忽略不計(jì)，它們就是夸克。

夸克是基本粒子。和電子一樣，它們不由其他粒子組成?？梢哉f(shuō)它們?cè)诹Ｗ游锢韺W(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的底層。

基思·庫(kù)珀（Keith Cooper）是英國(guó)自由科學(xué)記者和編輯，擁有曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)和天體物理學(xué)學(xué)位。

發(fā)現(xiàn)夸克

1964年，兩位加州理工學(xué)院（CalTech）的物理學(xué)家，默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和喬治·茨威格（George Zweig）首次提出了夸克存在的理論，但他們的結(jié)論是夸克彼此獨(dú)立存在，與媒體上經(jīng)常描述的科學(xué)事實(shí)相反。蓋爾曼和茨威格的結(jié)論并不是一個(gè)突然的發(fā)現(xiàn)，而是建立在多年努力工作的基礎(chǔ)上，通過(guò)仔細(xì)觀察才發(fā)現(xiàn)的。

20世紀(jì)50年代，物理學(xué)家在建立一個(gè)已知粒子的圖書館，但缺少證明粒子存在的基本理論。有點(diǎn)像植物學(xué)把各種類型的植物和它們的性狀編目。最終這個(gè)理論被命名為標(biāo)準(zhǔn)模型，但為了完成這個(gè)理論，還須幾個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)，包括發(fā)現(xiàn)夸克。

最令人困惑的是超子，這種粒子不穩(wěn)定且衰變速度很快，但衰變后并沒(méi)有變成預(yù)期的粒子。蓋爾曼意識(shí)到一定有一種未知的量子特性在起作用，因其奇異，他將之命名為“奇異性”。

就像奇異數(shù)、電荷和自旋一樣，量子數(shù)必須是守恒的。如果一個(gè)具有特定量子數(shù)的粒子衰變，那么衰變產(chǎn)物的所有量子加起來(lái)必定等于該衰變粒子所具有的量子數(shù)。此外，粒子的量子數(shù)具有“自由度”——基本上是這些量子數(shù)具有的值的范圍。這些自由度稱為多重態(tài)，這些多重態(tài)可以排列在不同的粒子之間，這使得蓋爾曼和茨威格相信，如果每個(gè)粒子都是由兩個(gè)或三個(gè)更小的粒子形成的，那么這些粒子及其多重態(tài)就可以被解釋清楚。

茨威格稱這些微小的基本粒子為“王牌”，但這個(gè)名字并沒(méi)有流行起來(lái)。蓋爾曼一向喜歡起一些古怪而令人難忘的名字，他稱這些微小粒子為夸克，源自詹姆斯·喬伊斯的實(shí)驗(yàn)小說(shuō)《芬尼根的守靈夜》（Finnegan's Wake）中的一句臺(tái)詞:“向馬克呼三次夸克！”在小說(shuō)中，夸克指的是主人公馬克先生的三個(gè)孩子。

這些夸克被稱為“上夸克”、“下夸克”和“奇異夸克”。上下夸克并不指代任何東西，且奇異量子數(shù)為0。而奇異夸克的奇異量子數(shù)為-1，這就是它為什么“奇異”。

量子物理學(xué)中的夸克

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)位于一個(gè)周長(zhǎng)近17英里（27公里）的圓形地下隧道中。

（圖片來(lái)源: 蓋帝圖像的xenotar）

盡管這個(gè)理論很有想法，但并沒(méi)有快速流行起來(lái)，因?yàn)闆](méi)有實(shí)驗(yàn)證明夸克的存在。四年后的1968年，加利福尼亞州的斯坦國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室（SLAC）實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)人員先向質(zhì)子發(fā)射電子，然后發(fā)射μ子，發(fā)現(xiàn)電子和μ子因質(zhì)子中的三個(gè)更小粒子發(fā)生了散射，每個(gè)更小粒子都有自己的電荷。這些小粒子就是夸克。

事實(shí)證明，夸克總共有六種類型：除了上夸克、下夸克和奇異夸克之外，還有“粲夸克”、“頂夸克”和“底夸克”。每個(gè)夸克都有自己的一組量子數(shù)，它們的質(zhì)量也大不相同，上夸克和下夸克的質(zhì)量最輕，頂夸克的質(zhì)量最重，是上夸克的61000多倍。為什么它的質(zhì)量如此之大目前還不完全清楚，但它確實(shí)會(huì)迅速衰變?yōu)橘|(zhì)量較輕的夸克。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)等粒子加速器能夠短暫地產(chǎn)生頂夸克和底夸克，這是科學(xué)家知道它們存在的唯一方式。

研究夸克的困難在于，在正常情況下，夸克并不是單獨(dú)存在的。強(qiáng)大的核力使它們總是束縛在一起，從而形成稱為強(qiáng)子的復(fù)合粒子。兩個(gè)夸克組成的粒子稱為介子，三個(gè)夸克組成的粒子稱為重子，包括質(zhì)子（兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克）和中子（一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克）。由四個(gè)夸克組成的粒子叫做四夸克，五個(gè)夸克組成的叫五夸克，其中一些粒子較穩(wěn)定，但最終會(huì)衰變。

為了符合量子物理理論，夸克的行為受控于量子色動(dòng)力學(xué)（quantum chromodynamics）模型，簡(jiǎn)稱QCD。名稱中的“chromo”指的 “顏色”不是紅、綠或藍(lán)，而是夸克擁有的特定量子數(shù)的名詞。顏色在強(qiáng)力中的作用就像電荷在電磁力中的作用。一樣的顏色相互排斥，不同的顏色（即一種顏色和它的反色）相互吸引，從而形成穩(wěn)定的夸克對(duì)。像其他量子數(shù)一樣，它也是守恒的。

宇宙大爆炸和夸克膠子等離子體

宇宙誕生于138億年前。

（圖片來(lái)源: 蓋帝圖像的ALFRED PASIEKA/科學(xué)圖片庫(kù)）

強(qiáng)子內(nèi)部有一種叫做膠子的微小基本粒子，其攜帶的強(qiáng)力將夸克束縛在一起，膠子在夸克之間進(jìn)行交換。分離單個(gè)夸克群需要巨大的能量（強(qiáng)力的名字不是不無(wú)來(lái)由的）。這種原始能量只存在于宇宙大爆炸后的百億分之一秒到百萬(wàn)分之一秒之間，此時(shí)溫度約為3。6萬(wàn)億華氏度（2萬(wàn)億攝氏度）。在這個(gè)短暫的早期，初生宇宙中充滿了夸克膠子等離子體，一種由自由漂浮的夸克和膠子組成的液態(tài)物質(zhì)。

隨著初生宇宙膨脹，溫度和壓力迅速下降，夸克隨之結(jié)合在一起形成強(qiáng)子，最終形成了現(xiàn)金宇宙中所有可見(jiàn)物質(zhì)的基礎(chǔ)，如恒星、星系、行星和人。

盡管夸克膠子等離子體只存在于138億年前宇宙大爆炸之后的短暫時(shí)間里，但科學(xué)家們通過(guò)將兩個(gè)重原子核（比如鉛原子核）以接近光速相互撞擊，成功地重新創(chuàng)造了它。該實(shí)驗(yàn)首次達(dá)成于2000年歐洲核子研究中心的超級(jí)質(zhì)子同步加速器。

因此，要想更好地了解大爆炸后宇宙的狀況，在粒子加速器實(shí)驗(yàn)中研究夸克膠子等離子體是一個(gè)重要途徑。

夸克星

自然界中有一種被稱為“夸克星”的假想物體，其內(nèi)部條件極端，夸克在里面無(wú)法結(jié)合。如果這是真實(shí)存在，那可能是一種極端中子星。中子星是宇宙中已知密度最高的物體，在重力作用下沒(méi)有坍縮形成黑洞。超新星是一種劇烈的爆炸，標(biāo)志著大質(zhì)量恒星的毀滅，中子星誕生于超新星。當(dāng)恒星的外層消散，在重力作用下恒星核心坍塌，那里的壓力變得非常大，使帶正電荷的質(zhì)子與帶負(fù)電荷的電子結(jié)合，電荷抵消形成中性中子。中子星直徑約有6英里（10公里），一勺中子星物質(zhì)相當(dāng)于一座山的質(zhì)量。

然而，從理論上講，垂死恒星的核心密度可能會(huì)變得更高。在這種情況下，中子會(huì)分裂，釋放夸克自由。這就是夸克星。

然而，就目前而言，夸克星仍是純粹的假設(shè)；盡管有少數(shù)候選中子星似乎與普通中子星的性質(zhì)略有不同，比如直徑更小且質(zhì)量更大，但天文學(xué)家最終還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一顆夸克星。

有一個(gè)候選中子星實(shí)際上不是在超新星中形成的，而是由兩顆中子星合并而成，產(chǎn)生了GW 190425的引力波事件，在2019年激光干涉空間天線（LISA）和處女座引力波探測(cè)器都捕捉到了該引力波。合并后的天體質(zhì)量在3。11到3。54個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量之間。對(duì)于中子星來(lái)說(shuō)它的質(zhì)量太大了（理論上中子星的質(zhì)量不可能超過(guò)2。4個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量），但又不足以成為黑洞（黑洞至少需要大約5個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量）。它會(huì)是夸克星嗎？

另一種可能性是，中子星也許是混合天體，外層是普通中子星物質(zhì)，內(nèi)核深處是夸克物質(zhì)。

BY:Keith Cooper

FY:張瓜瓜

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選文：天文志愿文章組-

翻譯：天文志愿文章組-張瓜瓜

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終審：天文志愿文章組-零度星系

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參考資料