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强子

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強子
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組成強子夸克可能帶有的色荷
组成 複合粒子
费米-狄拉克
玻色-愛因斯坦
基本相互作用 強作用力
色荷 無色(白色)

粒子物理學裏,强子(hadron)是一种由夸克反夸克通過強作用力綑綁在一起的複合粒子。强子主要分为以下兩大類:

  • 重子:由三个夸克或三个反夸克组成,自旋总是半整数;也就是说,它们是费米子。例如,组成原子核的质子中子都是重子。
  • 介子:由一个夸克和一个反夸克组成,自旋是整数;也就是说,它们是玻色子。例如,π介子可以是π0
    π+
    π
    ,每一種都分別帶有不同的電荷π0
    介子是由上夸克反上夸克組成,或由下夸克反下夸克組成。π+
    介子是由上夸克與反下夸克組成。π
    介子是由下夸克與反上夸克組成。

另外,還有一些比較稀有的奇異強子

在所有強子之中,只有質子是穩定的,束縛於原子核內的中子也是穩定的,其它種類的強子在普通狀況都是不穩定的。自由中子會進行衰變半衰期約為880秒。在實驗方面,強子物理學研究通常會將質子或像一類的重元素原子核碰撞在一起,然後分析產生的粒子射叢。

詞源學[编辑]

在1962年國際高能物理大會的全體會議裏,列夫‧奧肯發表演講提議創建術語「hadron」,[4]

儘管這篇報告論述的是弱相互作用,我們會時常談到感受強相互作用的粒子。這些粒子不只給出很多科學問題,它們也造成了一個數與問題。重點是「感受強相互作用的粒子」是一個很笨拙的術語,它並沒有使自己形成一個形容詞。因此,例如,衰變為感受強相互作用的粒子被稱為「非輕子的行為」。這定義並不精確,因為「非輕子的行為」可能指稱的是「光子的行為」。在這篇報告裏,我將稱呼「感受強相互作用的粒子」為強子,其對應衰變為強子的行為(希臘語「ἁδρός」表示為「大」、「重」的意思,而「λεπτός」表示為「小」、「輕」的意思)。我希望這術語會在未來被證明使用很方便。 — 列夫‧奧肯,1962年

性質[编辑]

每一種強子的總色荷為零。例如,一個介子的綠色與品紅色(反綠色)箭矢相互抵銷成為白色;一個重子的紅色、綠色、藍色箭矢相互抵銷成為白色;一個反重子的黃色(反藍色)、品紅色(反綠色)、青色(反紅色)箭矢相互抵銷成為白色。

根據夸克模型英语quark model,強子的性質主要是決定於其價夸克英语valence quark,例如,質子是由兩個上夸克與一個下夸克所組成;上夸克的電荷為+23,下夸克的電荷為−13,所以,質子的電荷為+1。[5]

每一個夸克都帶有色荷,這色荷可以為紅色,綠色或藍色,而強子的色荷必需為零,即強子的顏色必需為「無色」或「白色」,這是因為一種稱為夸克禁閉的物理現象。最簡單達成這目標的方法有兩種:

  • 組成重子的三個夸克必須帶有不同的色荷。
  • 組成介子的一個夸克與一個反夸克必須帶有相反的顏色,例如,假若夸克帶有紅色,則反夸克必須帶有反紅色。

更進一步分析,強子並不只是由兩個或三個夸克組成,這是因為強相互作用的能量,即傳遞強相互作用的膠子可能會擁有足夠能量E來產生共振,而這共振是由帶質量夸克所組成的:

E > mc^2

其中,m是夸克的質量。

因此,數量比率為1:1的虛夸克與虛反夸克,形成了大多數帶質量粒子在強子內部。兩個或三個價夸克是額外多餘部分。由於虛夸克不是穩定的波包(量子),而是非規律的暫時性現象,辨識哪個夸克是實夸克,哪個夸克是虛夸克,這動作並不具有實際意義,只有額外多餘部分才可從外部觀察得到。

如同所有亞原子粒子,每個強子都被分派一個量子數對應於龐加萊群表示:JPC(m);其中,J是自旋量子數,P是內秉宇稱,C是正反共軛英语charge conjugation(電荷共軛),m是粒子質量。注意到強子的大部分質量不是由價夸克所貢獻,而是因為質能等價,大部分質量是從強相對作用的能量所貢獻的。強子也帶有味量子數,例如,同位旋奇異數頂數英语topness底數粲數英语charm等等。所有夸克都帶有一種加性的守恆量子數,稱為重子數B;夸克的重子數為+13,反夸克的重子數為−13,因此,重子的重子數為1,介子的重子數為0。

強子的激發態稱為「共振」;每一個基態強子都可能對應於幾個激發態。在粒子物理實驗裏,可能會觀察到幾百個共振;通過強相對作用,它們很快地會衰變,大約在10−24秒內。[6]:313-317

在某些相態裏,強子可能會消逝無蹤,例如,在非常高溫與高壓狀況,除非有足夠多風味的夸克,量子色動力學的理論預測,夸克與膠子會逃出強子的禁閉,因為能量越高,強相對作用的耦合越弱,這性質稱為漸近自由,已被實驗證實在1 GeV與1 TeV能量區間成立。[7]

重子[编辑]

由輕夸克(上夸克、下夸克和奇夸克)中任意三个夸克组成的自旋12重子,这八种最輕的重子形成为輕夸克的重子八重組

重子是由三個夸克組成,是自旋為12費米子。每一個夸克的重子數為13,所以,重子的重子數為1。最為人知的重子是質子與中子。

物理學者假設,除了三個夸克以外,還擁有一對夸克與反夸克的奇異重子存在。這種重子稱為五夸克,處於五夸克態。2000年代曾提出幾個候選五夸克,但是更深入研究發現它們並不存在。這結果不排除未來可能找到五夸克的可能性,只是排除了這些候選五夸克。[8][9]

每一種重子都有其對應的反重子,假設將重子裏的每一個夸克用其反夸克取代,則可得到這反重子。例如,質子是由兩個上夸克與一個下夸克組成,它的反粒子是反質子,是由兩個反上夸克與一個反下夸克組成。

介子[编辑]

由輕夸克(上夸克、下夸克和奇夸克)中任意一个夸克與任意一個反夸克组成的自旋0介子,这九种最輕的介子形成为輕夸克的介子九重組

介子是由夸克-反夸克對組成的強子。介子是自旋為整數的玻色子,擁有偶數個夸克。介子的重子數為零。在粒子物理學實驗裏常見的介子有π介子、K介子等等。在原子核裏,K介子通過核力也扮演了捆綁核子的角色。

原則而言,幾個夸克-反夸克對組成的介子可能存在。由兩對組成的假想介子稱為四夸克,處於四夸克態。2000年代曾提出幾個候選四夸克,但是它們是否存在仍極具爭議。[10]另外,還有一些假想的奇異介子是在夸克模型英语quark model的分類以外,這包括膠球混介子英语hybrid meson(被激發態膠子綑綁組成的介子)

参阅[编辑]

參考文獻[编辑]

  1. ^ LHCb collaboration (2014): Observation of the resonant character of the Z(4430) state
  2. ^ W.-M. Yao et al. (2006): Particle listings – Θ+
  3. ^ C. Amsler et al. (2008): Pentaquarks
  4. ^ Lev B. Okun. The Theory of Weak Interaction. Proceedings of 1962 International Conference on High-Energy Physics at CERN. Geneva. 1962: p. 845. Bibcode 1962hep..conf..845O. 
  5. ^ C. Amsler et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics – Quark Model. Physics Letters B. 2008, 667: 1. Bibcode:2008PhLB..667....1P. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. 
  6. ^ Mittal. Introduction To Nuclear And Particle Physics. PHI Learning Pvt. Ltd. 2009. ISBN 978-81-203-3610-0. 
  7. ^ S. Bethke. Experimental tests of asymptotic freedom. Progress in Particle and Nuclear Physics. 2007, 58 (2): 351. arXiv:hep-ex/0606035. Bibcode:2007PrPNP..58..351B. doi:10.1016/j.ppnp.2006.06.001. 
  8. ^ S. Kabana. AIP Conference Proceedings. arXiv:hep-ex/0503020 [hep-ex]. 2005. doi:10.1063/1.1920947. 
  9. ^ C. Amsler et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics – Pentaquarks. Physics Letters B. 2008, 667: 1. Bibcode:2008PhLB..667....1P. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. 
  10. ^ Mysterious Subatomic Particle May Represent Exotic New Form of Matter