強子（粒子物理學(xué)中和量子力學(xué)的概念）
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強子
本詞條是多義詞，共2個(gè)義項
粒子物理學(xué)中和量子力學(xué)的概念
基本信息
| 中文名 | 強子 |
| 外文名 | Hadron |
| 釋義 | |
| 類(lèi)型 | 亞原子粒子 |
分類(lèi)
按其組成夸克的不同，強子還可以分為：
重子(Baryon)：重子由三個(gè)夸克或三個(gè)反夸克組成，它們的自旋總是半數的，也就是說(shuō)，它們是費米子。它們包括人們比較熟悉的組成原子核的質(zhì)子和中子和一般鮮為人知的超子（Hyperon, 比如Δ、Λ、Σ、Ξ和Ω），這些超子一般比核子重，而且壽命非常短。
介子(Meson)：介子由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成，它們的自旋是整數的，也就是說(shuō)，它們是玻色子。介子有許多種。在高空射線(xiàn)與地球空氣相互作用時(shí)會(huì )產(chǎn)生介子。
其它很稀有和奇怪的強子。
由多于三個(gè)但單數的夸克或反夸克組成類(lèi)似重子的強子。
由多于一對夸克-反夸克對組成的類(lèi)似介子的強子。
完全由膠子組成的粒子。
目前發(fā)現的所有強子都滿(mǎn)足蓋爾曼-西島關(guān)系，即
，S是奇異數，Q是電荷，
是同位旋，B為重子數.
構成
強子的構成是粒子物理的基本問(wèn)題之一
在樸素夸克模型中，強子由
（介子）和
（重子）構成。但是這種簡(jiǎn)單的構成正受到來(lái)自實(shí)驗的嚴峻挑戰。無(wú)論是越來(lái)越多的無(wú)法歸類(lèi)的強子態(tài)，還是具有無(wú)法為樸素夸克模型所容許量子數的介子的發(fā)現，都暗示有超越樸素夸克模型構成的新強子存在。膠球、多夸克態(tài)和混雜子是三種可能的新強子構造，它們分別是膠子、多夸克以及夸克與膠子的束縛態(tài)。本文將研究這些新強子的性質(zhì)。首先是所采用的研究方法的介紹，由于我們采用QCD求和規則作為我們的主要理論框架，因此對于瞬子物理我們主要采用一種易于使用到QCD求和規則框架內的半唯象方法，即單瞬子近似。
對于某些特定新強子性質(zhì)的研究。在考慮了直接的瞬子效應后，我們在QCD求和規則的框架內研究了 膠球的質(zhì)量問(wèn)題。結果顯示在考慮了瞬子效應后，膠球的質(zhì)量被大大降低。之后我們考慮瞬子效應在標量膠球衰變中的作用。我們發(fā)現由于非微擾效應，標量膠球衰變過(guò)程中 對稱(chēng)性是被很好保持的。我們也考慮了標量膠球的四夸克衰變與兩夸克衰變寬度之比。與普通介子衰變相比，我們預言標量膠球衰變會(huì )有較大的多強子末態(tài)分支比。首先構造了兩個(gè)典型的 分子四夸克態(tài)，利用考慮瞬子效應修正后的QCD求和規則研究它們的質(zhì)量問(wèn)題。我們發(fā)現我們的模型可以在1.4GeV附近容納兩個(gè)不同的 四夸克介子。接著(zhù)構造具有Diquark結構和分子態(tài)結構的四夸克態(tài)，并研究了它們的衰變方式。在已有的 和 混雜子質(zhì)量的求和規則中考慮直接的瞬子效應，研究瞬子在其中所起的作用，并給出較穩定的 膠球的質(zhì)量預言。
1964 年，美國科學(xué)家蓋爾曼等人提出“夸克模型”。他們認為，所有的強子都是由若干種叫做“夸克”的更深層次的粒子組成。西方人將這些粒子稱(chēng)為“夸克”，中國人則常常又稱(chēng)它們?yōu)椤?/span>層子”。顧名思義，層子是相對電子、質(zhì)子、中子這些基本粒子來(lái)說(shuō)的，它屬于“下一層次的粒子”。蓋爾曼等人認為夸克帶“分數電荷”，它們被禁閉在強子內部，不能脫離強子自由運動(dòng)。
夸克是物質(zhì)分割的極限
因為夸克被禁閉在強子內部，本身也無(wú)法直接觀(guān)察。然而，對大自然的好奇心，促使人們對夸克是否還有“內部結構”這個(gè)問(wèn)題產(chǎn)生濃厚的興趣。目前的跡象表明，夸克和輕子可能是由某些更為基本的粒子所組成，夸克和輕子之間具有極大的對稱(chēng)性。根據目前的理論，夸克可分為三代，每代有兩種（不計反夸克），它們分別是（u,d）、（s, c）和（t,b）。輕子也有三代，每代也有兩種。如此多的粒子表明，即便夸克和輕子，也不可能是物質(zhì)分割的“最小單元”。
但是從1964 年至今，人們還沒(méi)有“看到”過(guò)夸克的真實(shí)面目。在蓋爾曼提出的夸克理論中，他假設存在三種夸克。他用這三種夸克及它們的反粒子來(lái)說(shuō)明微觀(guān)粒子構成的模型，取得了很大的成功。但是，由于物理學(xué)家至今還不能使夸克脫離其他微觀(guān)粒子而獨立存在，它只能像犯了錯誤而被關(guān)禁閉的士兵那樣，被幽禁在微觀(guān)粒子中。所以，“夸克禁閉”成了當今粒子物理學(xué)的難題之一，這對哲學(xué)中關(guān)于物質(zhì)無(wú)限可分的觀(guān)點(diǎn)，也是一次嚴峻的挑戰。
近半個(gè)世紀以來(lái)，物理學(xué)家為了尋找自由夸克，絞盡了腦汁。每當一臺新的高能加速器建成以后，首要的任務(wù)之一就是試圖找到夸克。有的物理學(xué)家把微觀(guān)粒子想成一只口袋，夸克永遠被裹在這只口袋里——在這口袋的小范圍內，它可以自由飛翔，但決不許脫離這個(gè)口袋。就是這個(gè)神秘的口袋，似乎要把夸克同外界永遠隔離開(kāi)來(lái)。也有的物理學(xué)家把微觀(guān)設想成一口半徑很小又很深的“井”，夸克過(guò)的就是這種“坐‘井’觀(guān)天”的生活。在“井”里它們都相當自由，運動(dòng)速度也不快，可就是跑不出去。人們必須提供極大的能量，才能把它從“井”底拉出來(lái)。但是目前人們還沒(méi)有辦法產(chǎn)生這么大的能量，使夸克獲得“解放”。
既然不能直接找到自由夸克，一些物理學(xué)家就改變了策略，企圖間接地搜尋它。因為根據理論推測，夸克帶有所謂的“分數電荷”，這使物理學(xué)家看到了一線(xiàn)希望。他們認為只要找到了“分數電荷”的攜帶者，那也許它就是夸克的化身了。因此物理學(xué)家在粒子加速器、隕石、月球、地下深井和海底等許多地方“張羅織網(wǎng)”，到處尋找具有“分數電荷”的粒子。
目前探測夸克結構和輕子結構的實(shí)驗都在進(jìn)行中，但未取得進(jìn)展。考慮到原子和原子核的線(xiàn)度相差10 萬(wàn)倍，因而可以預言夸克的結構最多只能在10米的尺度上顯示出來(lái)；但目前的實(shí)驗只能探測到10米的線(xiàn)度，因而夸克究竟是否有“內部結構”，至今還是一個(gè)謎。
層子模型
強子結構的層子模型
是在1965年9月到1966年6月之間完成的。當時(shí)的研究背景是這樣的：在電子、質(zhì)子、中子發(fā)現之后，人們普遍認為它們是構成物質(zhì)的終極單元，稱(chēng)之為“基本粒子”。隨著(zhù)介子和超子在20世紀40到50年代的陸續發(fā)現，基本粒子的家族迅速擴大，這些粒子絕大部分是強作用粒子，簡(jiǎn)稱(chēng)強子。很難想像這么多的強子都是基本粒子。1955年日本物理學(xué)家坂田提出了一個(gè)結構模型：強子中只有質(zhì)子、中子和超子三種是基礎的粒子，由它們構成其他所有的強子。坂田模型存在一系列困難，但是所提出的強子具有內部結構的思想是正確的。1964年美國物理學(xué)家蓋爾曼改造了坂田模型，提出了“夸克模型”，認為強子是由三種具有SU(3)對稱(chēng)性的組分構成的，他把這些組分稱(chēng)為夸克。
到了1965年，基本粒子表中粒子的數目已經(jīng)可以與周期表中元素的數目相比，其中重子的自旋可以高達
，并且實(shí)驗上關(guān)于核子的電磁形狀因子的測量說(shuō)明以前被認為是基本粒子的核子具有一定的大小和空間結構。這些事實(shí)說(shuō)明了兩點(diǎn)，一是“基本粒子”并不基本，二是強子有著(zhù)內部結構。坂田模型和夸克模型都是關(guān)于強子結構的科學(xué)設想，有待于進(jìn)一步發(fā)展為強子結構的科學(xué)理論。但是在當時(shí)發(fā)展強子結構的理論有困難，因為不知道在強子內部是否有新的力學(xué)規律在起作用，不知道強相互作用的具體形式，不知道處理強相互作用的數學(xué)方法，所以在結構模型中還只限于討論由對稱(chēng)性能夠得出的強子分類(lèi)、新粒子預言和諸如質(zhì)量、自旋、電荷、磁矩等靜態(tài)性質(zhì)。進(jìn)一步的發(fā)展必須超出對稱(chēng)性的范疇，引入動(dòng)力學(xué)起作用的因素。
在當時(shí)已知的最高能量下，物理實(shí)驗結果表明量子數、本征值、幾率波這些概念仍然有效，也就是說(shuō)在強子內部的小尺度范圍中，用波函數描述狀態(tài)、用算符描述物理量的基本概念和方法仍然有效。于是他提出引入強子內部的結構波函數來(lái)描述強子內部結構的狀態(tài)，至于決定波函數的力學(xué)規律和運動(dòng)方程等則留待以后去討論，一些嚴格的物理要求如相對論洛倫茲協(xié)變性和內部對稱(chēng)性等已經(jīng)大大限制了波函數可能具有的形式。強子的組成及遵從的對稱(chēng)性是否取夸克模型或坂田模型的其他變種，所以后來(lái)按錢(qián)三強的建議把強子的組分粒子稱(chēng)為“層子”，表示物質(zhì)結構許多層次中的一個(gè)層次的意思。在引入波函數以描述運動(dòng)著(zhù)的強子時(shí)，他認為應當區分描述內部運動(dòng)和整體運動(dòng)的兩個(gè)概念。通過(guò)對已知實(shí)驗數據的分析，他提出層子在強子內部的運動(dòng)速度遠小于光速，是非相對論性的，雖然強子的整體運動(dòng)可以是相對論性的。
這樣，可以在強子的靜止坐標系中定出非相對論性的結構波函數，然后通過(guò)洛倫茲變換得到作自由運動(dòng)的強子的波函數。在討論強子發(fā)生轉化的過(guò)程時(shí)，朱洪元引入始態(tài)和終態(tài)強子結構波函數的重疊積分的概念和具有特定的對稱(chēng)性的強子構成組分（層子之間的相互作用來(lái)計算躍遷矩陣元，用以統一地描述一系列強子的轉化過(guò)程。在這些概念和方法的基礎上，由錢(qián)三強大力支持，朱洪元領(lǐng)導的粒子理論研究集體系統地研究了強子的力學(xué)、電磁及幾何等靜態(tài)性質(zhì)，以及強子的電磁衰變、弱衰變、強衰變等動(dòng)態(tài)過(guò)程。在九個(gè)月里，他們發(fā)表了46篇科學(xué)論文，得到了一系列理論結果，其中許多和實(shí)驗結果相符合。有一些當時(shí)沒(méi)有實(shí)驗數據，在后來(lái)才得到實(shí)驗的證實(shí)。也有一些理論結果與實(shí)驗不合，有待后來(lái)的實(shí)驗和理論工作的新進(jìn)展來(lái)解決。
“層子模型”是強子結構研究的一個(gè)重要開(kāi)拓，它是在層子之間的動(dòng)力學(xué)理論提出來(lái)之前的一個(gè)方向性的系統工作。這個(gè)理論中提出的強子內部結構波函數和波函數的重疊積分的概念沿用至今，隨著(zhù)層子間強相互作用的動(dòng)力學(xué)理論的建立，它們越來(lái)越細致地被確定下來(lái)。在1966年北京亞太科學(xué)討論會(huì )上，巴基斯坦諾貝爾物理學(xué)得主薩拉姆高度評價(jià)了這項工作。很可惜，朱洪元和中國粒子物理學(xué)家在理論上一個(gè)很好的開(kāi)頭被隨后十年的大破壞所打斷。
相關(guān)觀(guān)點(diǎn)
核子（強子）是夸克、膠子的束縛態(tài)，由量子色動(dòng)力學(xué)QCD描述。由于QCD的基本特性（高能標度下的漸近自由、低能標度下色禁閉及動(dòng)力學(xué)手征對稱(chēng)性破缺），對核子（強子）結構和性質(zhì)的QCD圖象是標度相關(guān)的，在高能標度下描述強子的是與探測強子結構的硬過(guò)程相聯(lián)系的QCD部分子模型，強子的夸克、膠子結構信息通過(guò)QCD部分求和規則得到，QCD微擾論是適用的理論，在低能標度時(shí)，必須發(fā)展QCD非微擾途徑來(lái)描述核子（強子）。
雖然夸克模型當時(shí)取得了許多成功，但也遇到了一些麻煩，如重子的夸克結構理論認為，像
和
這樣的重子可以由三個(gè)相同夸克組成，且都處于基態(tài)，自旋方向相同，這種在同一能級上存在有三個(gè)全同粒子的現象是違反泡利不相容原理的。泡利不相容原理說(shuō)的是兩個(gè)費米子是不能處于相同的狀態(tài)中的。
夸克的自旋為半整數，是費米子，當然是不能違反泡利原理的。但物理學(xué)家自有辦法，你不是說(shuō)三個(gè)夸克全同嗎？那我給它們來(lái)個(gè)編號或著(zhù)上“顏色”（紅、黃、藍），那三個(gè)夸克不就不全同了，從而不再違反泡利原理了。的確，在1964年，格林伯格引入了夸克的這一種自由度——“顏色”的概念。當然這里的“顏色”并不是視覺(jué)感受到的顏色，它是一種新引入的自由度的代名詞，與電子帶電荷相類(lèi)似，夸克帶顏色荷。這樣一來(lái)，每味夸克就有三種顏色，夸克的種類(lèi)一下子由原來(lái)的6種擴展到18種，再加上它們的反粒子，那么自然界一共有36種夸克，它們和輕子（如電子、μ子、τ子及其相應的中微子）、規范粒子（如光子、三個(gè)傳遞控制夸克輕子衰變的弱相互作用的中間玻色子、八個(gè)傳遞強（色）相互作用的膠子）一起組成了大千世界。夸克具有顏色自由度的 理論得到了不少實(shí)驗的支持，在70年代發(fā)展成為強相互作用的重要理論——量子色動(dòng)力學(xué)。
1964年，美國物理學(xué)家默里·蓋爾曼和G·茨威格各自獨立提出了中子、質(zhì)子這一類(lèi)強子是由更基本的單元——Quark組成的。它們具有分數電荷，是基本電量的
或
倍，自旋為
。夸克一詞是蓋爾曼取自詹姆斯·喬埃斯的小說(shuō)《芬尼根徹夜祭》的詞句“為馬克檢閱者王，三聲夸克（Three quarks for Muster Mark）”。夸克在該書(shū)中具有多種含義，其中之一是一種海鳥(niǎo)的叫聲。他認為，這適合他最初認為“基本粒子不基本、基本電荷非整數”的奇特想法，同時(shí)他也指出這只是一個(gè)笑話(huà)，這是對矯飾的科學(xué)語(yǔ)言的反抗。另外，也可能是出于他對鳥(niǎo)類(lèi)的喜愛(ài)。
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夏佩爾夏佩爾，1928年出生，1957年獲哈佛大學(xué)哲學(xué)博士。1957—1960年任教于俄亥俄州立大學(xué)，1960—1972年任教于芝加哥大學(xué)，1972—1975年任教于伊利諾斯大學(xué)，1975年任教于馬里蘭大學(xué)。1983年任該校科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)委員會(huì )主任。美國文學(xué)與科學(xué)院院士。新歷史主義學(xué)派的代表人物。
尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
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