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宇宙中潜伏着奇特粒子组成的夸克,那大家为什么不去寻找它们呢?

时间:2019-11-18 16:37:05 来源:金沙棋牌 阅读:4003227次

正如你所猜想的那样,强核作用力是一种非常强大的力。它强大到可以把宇宙中微小的粒子长时间地,甚至是永远地结合在一起。在构成大家所熟知的世界的微粒中,由强力结合在一起的有中子和质子。但是如果你想切开一个质子或者中子,你并找不到完美的,简单排列的亚原子粒子。相对地你会看到宇宙中最复杂的力之一的讨厌的内在。中子和质子并不是强力可以构成的唯二物质,但大家并不能完全理解其它更复杂,更奇特的组合。更糟糕的是,甚至大家的试验和观察自身也很粗略。但物理学家们正在努力试图拼凑出对这一基本自然力的理解。

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强劲而复杂

要先容强力,最好和它的表兄弟——电磁力做对比。受电磁力影响的东西往往简易而明了,以至于1900年时科学家就有能力近乎完全分析电磁力。在电磁力作用下,任何微粒都可以在它们保有叫电荷的性质时尽可能长时间地组成集体。如果有电荷,那么就可以感受并响应电磁力。所有种类的微粒都带有电荷,就像普通的电子一样。

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另外一种颗粒,光粒子(也就是光子),担任了把电磁力从一个带电粒子传递到另一个的任务。光子自身并不带有电荷,也没有质量。它以光速移动,在宇宙中来回碰撞,由此产生了电磁。

电荷,电磁力的单载波。简单而干脆。

相比之下,有六种粒子都会受到强力的管制。作为一个整体,它们被称之为夸克。它们有着一些奇特的名字,如上(u)、下(d)、顶(t)、奇(s)、底(b)及粲(c)。要感受并响应强力,夸克有各自的荷。然而某些原因使得事情很令人费解,这不是一种电荷(尽管它们自身也有电荷并受到电磁力影响),物理学家把这种与强力有关的荷称之为色荷。夸克可以拥有红,绿,蓝三种色中的一种。这么称呼只是为了分辨,它们并没有实际的颜色,大家只是给这种奇异的像荷一样的性质一种代称。

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所以,夸克感受强力,但是夸克是由其他大量粒子搬运着的——准确说是8种粒子。这些粒子被称之为胶子,在担任着一项重要的工作,那就是把夸克胶合在一起。胶子也表现出了携带色荷的能力并自身带有色荷。他们也同样拥有质量。六种夸克,八种胶子。夸克可以改变它们的色荷,而胶子也可以。

所有的这些都表示强力无论是复杂程度还是错综程度都远超它的电磁力表亲。

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强劲而奇特

好吧,我前面说谎了。物理学家们称呼夸克和胶子携带的性质为色荷并不仅仅只是因为他们喜欢这个名字,而是因为这种命名是服务于一种有用的类比的。夸克和胶子可以相互结合来构成更大的粒子,直到所有的色的总和变成白色。就像红色,蓝色和绿色光合在一起变成白色光一样。最常见的结合是三个夸克的结合,分别是一个红色绿色和蓝色。

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但是这里这种类比有一点不同,因为每种独立的夸克随时都有可能拥有任意种颜色,所以正确地结合所需的夸克的数量更为重要。可以有很多种三个夸克的组合来组合成相似的质子和中子。你同样可以将一个夸克和它的反夸克结合,在这种情况下夸克的色会被它自己抵消,(比如,一个绿色夸克和反绿色夸克组合,我并不是在瞎扯)从而组成一种叫做介子的微粒。

但是到这里还没有结束。

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理论上来说,所有夸克和胶子加和成白色的结合在技术上都是允许自然存在的。

比方说,两个每个内部都含有有两个夸克的介子,有连结在一起组成一种叫四夸克态的东西的可能性。而在某些情况下,你可以你可以往这个混合体里面加入第五个夸克,所有的颜色依旧保持平衡,而就像你想的那样它被称为五夸克态。

五夸克态甚至不是一定要在一个单独的微粒中结合,他们可以简单地互相靠近存在,组成物被称之为氢分子。

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这是多么的疯狂:胶子本身组成微粒甚至可以不需要夸克。胶子可以组成一个很简单的球状体并相对稳定地出现在宇宙中,它们被称之为胶球。所有被强力允许出现的可能的结合态的总体被称之为夸克光谱,而这并不是一个科幻电视节目编辑取的名字。夸克和胶子的结合存在各种各样奇异的潜在可能性,难道不是么?

夸克彩虹

或许

物理学家已经进行了几十年的强力试验了,比如巴贝尔实验和一些在大型强子对撞机中的试验,缓慢地通过逐年积累来达到更高能级去逐渐深入探索夸克偶素光谱。在这些实验中,物理学家已经发现了很多独特的夸克和胶子的结合体。实验主义者给了他们取了些时髦的名字,比如χc2(3930)

这些独特的潜在粒子转瞬即逝,但在很多情况下它们是确切地存在的。物理学家们需要通过艰难的工作来把这些短暂存在的微粒与大家理论上猜测应该存在的微粒联系起来,比如五夸克态和胶球。

宇宙中潜伏着奇特粒子组成的夸克,那大家为什么不去寻找它们呢?

把理论和实际产物联系起来的主要问题在于相关数学计算十分困难。和电磁力不一样,涉及强力的实体预测是十分困难的。这并不仅仅是因为夸克和胶子之间复杂的相互作用。在能级非常高的情况下,强力的强度实际上会开始减弱,使得数学计算被简化。但是在能量较低时,比如使夸克和胶体结合成稳定微粒所需的能量,此时强力实际上非常得强。这增长的强度使得数学分析更为困难了。

理论物理学家们已经提出了很多新技术来解决这一问题,但是这些技术本身不是不完善就是效率低下。在大家已经知道夸克偶素光谱上的一些奇特状态是切实存在的同时,要预言它们的性质和实验特征却是十分困难的。

宇宙中潜伏着奇特粒子组成的夸克,那大家为什么不去寻找它们呢?

物理学家们依旧在努力研究,正如他们一直所做的一样。缓慢地,逐渐地,大家在构筑对从对撞机中产生的特殊微粒的收集,然后对理论夸克偶素的状态进行越来越准确的预言。匹配工作正在缓慢地进行着,逐渐给大家一张关于这种大家宇宙中奇异而基本的力越来越完整的拼图。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. Paul Sutter – Astrophysicist-风筝小猫

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