夸克是所有物質(zhì)的基本組成單元，但似乎不能再繼續(xù)分割為更小的結(jié)構(gòu)

　　北京時(shí)間 10 月 25 日消息，質(zhì)子和中子是構(gòu)成原子核的粒子，看起來(lái)似乎已經(jīng)足夠微小。但科學(xué)家表示，這些亞原子粒子其實(shí)是由更小的粒子組成，他們將這些粒子稱為夸克。

　　“我認(rèn)為最簡(jiǎn)單的說(shuō)法是，夸克是物質(zhì)的基本組成部分，構(gòu)成了我們周圍的一切，”理論物理學(xué)家杰弗里·韋斯特解釋道。韋斯特在美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建立了高能物理研究小組，現(xiàn)在是圣塔菲研究所的杰出教授。

　　與電子和其他輕子一樣，夸克似乎不能再繼續(xù)分割為更小的結(jié)構(gòu)。夸克是如此之小，以至于關(guān)于其大小的描述聽起來(lái)都令人難以置信。倫敦大學(xué)學(xué)院物理學(xué)教授喬恩·巴特沃斯(Jon Butterworth)解釋道，夸克的半徑大約是質(zhì)子半徑的 2000 倍，而質(zhì)子的半徑比一粒沙子小 2.4 萬(wàn)億倍。

　　1964 年首次提出

　　最早在 1964 年，加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家默里·蓋爾曼(Murray Gell-Mann)首次提出了夸克模型。他是發(fā)展粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的關(guān)鍵人物之一，也是 1969 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。蓋爾曼指出，要想解釋質(zhì)子和中子的性質(zhì)，就必須假定它們由更小的粒子組成。與此同時(shí)，加州理工學(xué)院的另一位物理學(xué)家喬治·茨威格(George Zweig)也獨(dú)立地提出了這個(gè)想法。

　　從 1967 年到 1973 年，在斯坦福直線加速器中心(現(xiàn)稱為 SLAC 國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了夸克的存在。正如韋斯特所解釋的，夸克的一個(gè)奇怪之處在于，它們可以被觀察到，但不能被分離。“一個(gè)細(xì)微的區(qū)別在于，”他說(shuō)，“它們和電子一樣都是基本粒子，但對(duì)于電子，我們可以觀察并分離它們。你可以指出某個(gè)電子的方向。對(duì)于夸克，你不可能從原子核中取出一個(gè)放到桌子上，對(duì)它進(jìn)行檢驗(yàn)。”

　　利用龐大的粒子加速器，科學(xué)家可以加速電子，并利用它們來(lái)探測(cè)原子核內(nèi)部的秘密。如果電子撞擊到足夠深的地方，就會(huì)使夸克脫離，科學(xué)家就可以用非常精密的探測(cè)器來(lái)測(cè)量夸克。“我們重建了目標(biāo)中組成質(zhì)子和中子的基本單元，”韋斯特說(shuō)。“你可以看到這些小點(diǎn)，我們把它們稱為夸克。”

　　夸克有六種類型

　　與質(zhì)子相比，夸克只帶有部分電荷。根據(jù)質(zhì)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(zhì)，用來(lái)描述強(qiáng)相互作用如何把它們結(jié)合在一起。色荷由膠子攜帶，膠子也是一種基本粒子，負(fù)責(zé)在兩個(gè)夸克之間傳遞強(qiáng)相互作用，就像光子負(fù)責(zé)在兩個(gè)帶電粒子之間傳遞電磁力一樣。

　　美國(guó)堪薩斯大學(xué)的一個(gè)物理學(xué)研究小組計(jì)劃使用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)上的一個(gè)設(shè)備來(lái)研究夸克和膠子之間的強(qiáng)相互作用。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是世界上最強(qiáng)大的粒子加速器，位于法國(guó)和瑞士之間一條 27 公里長(zhǎng)的隧道內(nèi)。

　　“我們的想法是更好地了解質(zhì)子和重離子——比如鉛——的結(jié)構(gòu)，并研究一種叫做‘飽和(膠子狀態(tài))’的新現(xiàn)象，”這項(xiàng)研究的領(lǐng)導(dǎo)者、堪薩斯大學(xué)物理學(xué)教授克里斯托夫·羅永(Christophe Royon)解釋道，“當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子或兩個(gè)離子以極高的能量碰撞時(shí)，我們可以很靈敏地探測(cè)到它們的子結(jié)構(gòu)——夸克和膠子，從而探測(cè)到某些膠子密度變得非常大的區(qū)域。”

　　“我們可以類比紐約高峰時(shí)段的地鐵，此時(shí)地鐵完全擠滿了，”克里斯托夫補(bǔ)充道，“在這種情況下，膠子的行為不是單一的，而是可以表現(xiàn)出集體行為，就像擁擠的地鐵一樣，如果有人摔倒了，每個(gè)人都會(huì)感覺(jué)到，因?yàn)槿藗冸x得很近。在某種程度上，質(zhì)子或重離子可以表現(xiàn)得像一個(gè)固體，像一塊玻璃，這種狀態(tài)稱為‘色玻璃凝聚態(tài)’。這是我們希望在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上看到的，也希望在美國(guó)未來(lái)的電子-離子對(duì)撞機(jī)上能看到。”

　　如果能找到這種稠密膠子物質(zhì)存在的證據(jù)，或許將回答關(guān)于夸克最大的一個(gè)未解問(wèn)題。“這是物質(zhì)的一種新狀態(tài)，”克里斯托夫說(shuō)，“相對(duì)論性重離子對(duì)撞機(jī)(RHIC)或大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)已經(jīng)提供了一些暗示，但一切都還不確定。這將是一個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)和電子-離子對(duì)撞機(jī)都是觀察這一現(xiàn)象的理想設(shè)備。”

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