強子結構和強子物理

強子結構和強子物理，強子曾經被看成基本粒子，隨著粒子物理學的進展，認識到強子是有著內部結構的粒子。

基本介紹

• 中文名：強子結構和強子物理
• 外文名：Hadronic structure and Hadronic physics

早期模型

最早提出強子結構模型的是E.費米和楊振寧。

1949年，他們提出當時已知的所有原子核及介子，都是由質子p、中子n以及它們的反粒子(p、n)構成的。如π介子是由處於自旋單態及軌道運動的S態（1S0態）的正反核子構成的同位旋三重態由正反核子還可構成1S0的同位旋單態或3S0的同位旋單態或三重態。具有這些量子數的粒子1949年尚未被發現，但在後來的實驗中已被找到。費米–楊模型中只有非奇異的介子及重子，因為核子不具有奇異數，由此不能構造成奇異粒子。

1955年，日本物理學家坂田昌一推廣了費米–楊模型，提出所有的強子都是由質子p、中子n和超子Λ以及它們的反粒子p、n、Λ構成的坂田模型。坂田模型中質量最低的一些介子的構成是：此後的實驗檢驗中，坂田模型對介子的分類，介子的質量、自旋、宇稱等性質的描述較成功，但對重子的分類則不能令人滿意。如∑±0及Ξ0,－這五種重子，在坂田模型中是分別由(正反核子+Λ)和(反核子+2Λ)構成的，而這些可能的組合共有27種。就是說坂田模型預言的重子太多。此外，坂田模型對重子的自旋、宇稱等性質的描述也不夠好。強子具有內部結構的實驗上的跡象，最早是在1956年由能量約為1吉電子伏的電子在核子上的散射實驗中顯示出來的。

實驗表明，核子不是一個點，而是在半徑為0.8×10−13厘米的範圍內有著確定的電和磁的分布的物理實體。SU(3)對稱性　1961年，M.蓋耳–曼和Y.奈曼提出了用SU(3)對稱性來對強子進行分類的“八重法”，這是沿著費米–楊–坂田模型方向的一個重大進展。物理上費米–楊–坂田模型主要只考慮了強子的同位旋對稱性質，此外強子還有一個重要的內部量子數超荷，這兩個量子數與粒子的電荷有著確定的關係。這個關係是不能自動在費米–楊–坂田模型中出現的，必須考慮更高的對稱性，這就是蓋耳–曼和奈曼提出的SU(3)對稱性。八重法分類是粒子物理中的周期表，當時已經發現的粒子在八重法分類中都能有自己的位置，而且還準確地預言了一些新的粒子，最著名的是重子Ω−，它在1964年被發現。到1964年粒子的數目增加至近百，且新粒子發現的勢頭有增無已。八重法分類很好地說明了強子的自旋、宇稱、電荷、奇異數及質量等一系列性質的規律性。SU(3)群的基礎表示是三維的，介子和重子都不屬於SU(3)群的基礎表示。

蓋耳–曼及G.茲韋克從而提出了和SU(3)群的基礎表示相對應的是三種粒子。蓋耳－曼還給它們起了一個從文學著作中借來的名字——夸克，表明夸克只有三種。現在習慣把它們記作u、d、s。它們是自旋為1/2的粒子，其性質見下表。夸克的性質（e是電子電荷的絕對值）夸克電荷同位旋第三分量奇異數重子數ue0d−e−0s−e0−1夸克模型里，所有強子都是由夸克和它們的反粒子組成的，如質子由三個夸克(uud)組成，中子由三個夸克(udd)組成，π＋介子由正反夸克(ud)組成，π−介子由正反夸克(du)組成。夸克假設提出後，物理學家一直在找尋自由的夸克，但迄今尚未有被確證為成功的報導。粒子的性質可分為兩類。一類稱為靜態性質，如質量、自旋、奇異數、同位旋、重子數、電荷等，另一類稱為動態性質，如壽命、衰變寬度、形狀因子、截面、衰變分支比等，它們與粒子在不同的相互作用下的變化過程有關。粒子物理實驗的大量資料是與後者有關的。SU(3)夸克模型在解釋粒子的靜態性質上取得很大的成功，但在解釋粒子的動態性質上則未涉及。

層子模型

1965年，北京基本粒子理論組提出層子模型來研究粒子的動態性質。層子模型的主要思想是：

①物質結構有無限層次，粒子層次上的構成組分是層子。但層子並不是物質最終的組成部分，可能包含更深層次的結構。層子的種類可能不止三種。強子是層子或層子與反層子的束縛態。強子所參與的相互作用歸結為層子所參與的相互作用。

②要解釋強子的動態性質，只考慮對稱性質是不夠的，必須計及強子的內部結構。在最終建立起層子之間的動力學理論之前，可通過表達層子在強子內部運動的波函式來研究，因為相當一部分動力學的信息，包含在反映強子內部結構的波函式中。

③強子是層子或反層子的束縛態，不能當作點粒子處理，因此要發展計算含束縛態的矩陣元的方法，自洽地處理束縛態的內部運動波函式。

④層子在強子內部的運動，可作非相對論近似，但強子作為一個整體運動，必須具有相對論協變的性質。⑤不同強子的動態性質，通過對稱性及內部運動波函式的聯繫可表現出來。層子模型是一個較好的強子結構模型。它成功地說明當時粒子物理實驗數據的一些主要方面；通過強子內部結構波函式，將電磁相互作用過程和弱相互作用過程聯繫起來；通過層子所參與的相互作用將介子和重子的性質聯繫起來。紛繁的粒子物理現象開始呈現出有機聯繫的、統一的圖像。

量子色動力學

20世紀60和70年代，建成了一批能量更高、束流更強、性能更好的加速器。雖然這些加速器上沒有找到自由夸克，但對研究強子的結構起了重要的作用。1968年用能量高達20吉電子伏的電子作探針來研究質子內部結構的電子深度非彈性散射實驗中發現，大角度散射的截面比原來想像的要大得多，這意味著質子內部電荷有著點狀的結構。另外的跡象還表明，這些點狀的結構在質子裡可認為是自由的。類似的實驗後來在中子上進行也得到了相同的結論。70年代利用高能量的中微子作為探針來研究質子和中子的內部結構的中微子深度非彈性散射實驗，也得到核子裡存在有點狀的、近似自由的和質量不大的結構的結論。

1974年，丁肇中及B.里克特等分別發現了一個新粒子J（或稱ψ），它有著非常獨特的性質，不能由上表所示的三個夸克u、d、s及其反粒子構成，只能以它由一個新的夸克c及其反粒子c構成得到解釋。這個新的夸克被稱為粲夸克，有著一種新的量子數——粲數，它的電荷是2e/3。這第四個夸克及粲數的存在，不久便由一系列的新粒子ψ(2s)、D、Ds、ηc、Λc、∑c、Ξc和Ωc等的發現得到更多的證據。

1977年，L.M.萊德曼等發現了又一個獨特的新粒子Υ，它的性質只能以另一種新的夸克b及其反粒子b構成得到解釋。這第五個夸克被稱為底夸克，它的電荷是−e/3，帶有一種新的量子數——底數。這個新的夸克及底數的存在，近年由新粒子Υ(2s)、Υ(3s)以及B介子等的發現得到更多的證據。

1995年美國費米實驗室發現了第六種夸克。這種夸克被稱為頂夸克，記作t，它的電荷為2e/3，帶有一種新的量子數——頂數。早在討論層子模型時就知道，夸克必須具有一種新的性質，才能解決夸克的自旋統計問題，如Ω−重子是由三個處在軌道運動為s態的s夸克構成的，但這明顯違背自旋為1/2的粒子必須服從的泡利不相容原理。後來引入夸克具有一個新的量子數——色量子數，或即夸克帶有“色荷”的概念，來解決這個矛盾。色荷是與電荷類比的概念，夸克一共有三種可能的色荷。夸克的電荷和色荷，可由正負電子湮沒成為強子的總截面的大小加以驗證。實驗的結果支持上述關於(u,d,s,c,b,t)六種夸克的電荷及色荷的假設。

1973年，建立了描述夸克之間的相互作用的量子色動力學(QCD)理論：夸克之間的作用力，是由於帶有色荷的夸克，相互交換帶有色荷的膠子而產生的。這與描述電磁作用力的量子電動力學的圖像很相像，在那裡電磁力是由於帶電荷的粒子相互交換光子而產生的。

與光子一樣，膠子也是沒有靜止質量的自旋為1的粒子，但光子不帶電荷，而膠子帶有色荷。正是這個差別，使得強相互作用力是短程力，必須作無窮大的功，才能把強子裡的夸克或反夸克完全分開。這使得夸克不能以自由的狀態存在。自由的膠子至今也還沒有在實驗上被發現。因此夸克和膠子只能在強子記憶體在，稱為夸克禁閉。量子色動力學已成為強相互作用的基本理論。短距離下微擾論成功地套用到各種物理過程，得到了實驗的驗證。

但大距離下由於非微擾特性，尚未有行之有效的方法。特別是關於夸克禁閉的特性完全是由QCD的非微擾性質確定，它與QCD非微擾真空密切相關。

強子物理

近年來認識到，QCD的研究中強子結構和真空結構的一個重要的交叉領域，稱之為強子物理。QCD在短距離下可將強子內的夸克和膠子作為類點粒子用微擾理論描述，而強子物理本質上是由大距離下QCD非微擾理論描述，並直接影響到原子核的核力理論。在中等距離區域內強子物理包含更加豐富的物理現象。實際上在所有能量標度範圍內，物理現象是相互關聯的，即使短距離下QCD微擾理論被套用的能量區域內，QCD非微擾效應仍然會涉入其中。因此，強子物理不僅受到更多的粒子物理學家和核物理學家的重視，而且正在發展成為一個重要的研究領域，以求深入揭示強子結構和QCD真空結構的本質。