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是由更小的粒子組成，他們將這些粒子稱為夸克。

　　“我認為最簡單的說法是，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。韋斯特在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗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)?？淇耸侨绱酥?，以至于關(guān)于其大小的描述聽起來都令人難以置信。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)準模型的關(guān)鍵人物之一，也是 1969 年諾貝爾物理學(xué)獎得主。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，加州理工學(xué)院的另一位物理學(xué)家喬治·茨威格(George Zweig)也獨立地提出了這個想法。

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

　　利用龐大的粒子加速器，科學(xué)家可以加速電子，并利用它們來探測原子核內(nèi)部的秘密。如果電子撞擊到足夠深的地方，就會使夸克脫離，科學(xué)家就可以用非常精密的探測器來測量夸克。“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。“你可以看到這些小點，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)，用來描述強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，負責(zé)在兩個夸克之間傳遞強相互作用，就像光子負責(zé)在兩個帶電粒子之間傳遞電磁力一樣。

　　美國堪薩斯大學(xué)的一個物理學(xué)研究小組計劃使用大型強子對撞機(LHC)上的一個設(shè)備來研究夸克和膠子之間的強相互作用。大型強子對撞機是世界上最強大的粒子加速器，位于法國和瑞士之間一條 27 公里長的隧道內(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)兩個質(zhì)子或兩個離子以極高的能量碰撞時，我們可以很靈敏地探測到它們的子結(jié)構(gòu)——夸克和膠子，從而探測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段的地鐵，此時地鐵完全擠滿了，”克里斯托夫補充道，“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，每個人都會感覺到，因為人們離得很近。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子對撞機上看到的，也希望在美國未來的電子-離子對撞機上能看到。”

　　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)于夸克最大的一個未解問題。“這是物質(zhì)的一種新狀態(tài)，”克里斯托夫說，“相對論性重離子對撞機(RHIC)或大型強子對撞機已經(jīng)提供了一些暗示，但一切都還不確定。這將是一個重要的發(fā)現(xiàn)，大型強子對撞機和電子-離子對撞機都是觀察這一現(xiàn)象的理想設(shè)備。”

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