聊粒子-夸克禁闭

20 3月

质子中子等强子是由夸克组成,那就把它们撞开,看看能不能将夸克撞出来。结果一撞就出事情了,发现质子死活撞不开。质子里确实有带电体,但质子就像个软皮糖,软绵绵的,就是撞不碎。

早先用几十GeV能量去轰击质子,后来随着设备的升级,到了几百GeV,到现在几百TeV,至今无法看到夸克的真实面貌。人们将这个现象称为“夸克禁闭”。夸克被关禁闭了,就是不出来。

现在解释夸克禁闭的理论有量子色动力学(Quantum Chromodynamics,简称QCD),诞生于1965年盖尔曼提出夸克模型的次年。

QCD理论认为夸克都有自己的“颜色”,分红绿蓝三种颜色。

但这里的“颜色”并不是指生活中的颜色,就是夸克的一种属性,和量子数,自由度等属性一样,只不过实在没啥名字好起,就随便起个和生活相关的名字。

红绿蓝是相加型三原色,就是RGB,三色叠加成白色。

夸克为何看不见?因为由夸克组成的强子的颜色叠加必须是白色,即红绿蓝各一种。我们只能看见白色的粒子,单个带有颜色的夸克我们是看不见的,或者说是不能单独出现的。

例如质子由2个上夸克和1个下夸克组成(即UUD),中子由一个上夸克和两个下夸克组成(即UDD)。颜色如下图,我们只能看到三色叠加成白色的质子和中子,但单色的夸克无法看见,或者说单个夸克无法单独出现,这就是夸克禁闭的原因。

夸克为何不能单独出现呢?美国物理学家格罗斯(1941-至今)和维尔切克(1951-至今)给出解释是“渐进自由”。

量子色动力学QCD也是场论,基础就是杨米尔斯规范场。

格罗斯和维尔切克研究杨米尔斯规范场时,结果通过数学堆导,发现在数学中杨米尔斯规范场的两个粒子无限接近时,它们的作用力趋于无限小。

这其实是违反直觉的,例如引力,我们都知道离的越近引力就越大。理论上如果无限接近,引力就无限大。但宏观世界不存在这个问题,哪怕我手抓住你,我的手和你身体的质心间还是存在距离,不可能无限接近。

但微观粒子就有可能无限接近,它们间的作用力应该无限大。

结果格罗斯和维尔切克在数学上证明了两个粒子在一定范围内,越接近,相互间的作用力越小。在这个范围内,粒子越接近就越自由,两人发表论文起名“渐进自由”。

几乎同时波利策(1949-至今)也发表论文,给出了相同的答案。

三人的论文让量子色动力学QCD名声大噪,“渐进自由”似乎更能解释夸克禁闭了。因为你越想让它们分开,它们就越分不开。

三人也因为发现了渐进自由而获得了2004年诺贝尔物理学奖。

但渐进自由给了夸克禁闭定性的解释,没有给出定量的解释,貌似也不是夸克禁闭最本质的原因。

现在最前沿的弦理论也试图给出夸克禁闭的解释。

弦理论认为夸克之间靠一条弦连接着。当你试图剪断弦的时候,会在断开处迅速出现一对正反夸克对。这条弦又有了新的端点,形成了新粒子。

弦理论还没有被证实,有待时间的检验。

你也可以理解为夸克禁闭是因为被三体派来的智子锁死了,希望在有生之年能被解开。

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