中微子历史

质子和中子里有什么？质子和中子里有什么？

研究强子结构和标准模型的反复成功表明，夸克和色场是强子世界最基本的组成部分。然而，强子物理仍有一些未解决的困难，如夸克禁闭、质子自旋危机和质子衰变。

1.质子和中子不是点粒子。

探索物质结构是科学的重要任务。自从人类出现以来，这种探索从未停止过。

20世纪，人们逐渐明确物质是由分子原子构成的。1932年查德威克发现中子，人们意识到原子核应该是由质子和中子组成的。物质结构的研究就像剥竹笋，每一层的发现都加深了对物质结构的理解。质子和中子在原子核能级以下还有内部结构吗？

质子和中子不是点粒子，它们都有内部结构。20世纪30年代，理论物理学家认为质子和中子作为核子是基本粒子，应该像点粒子一样。根据狄拉克的相对论波动方程，质子的磁矩是单位核子，中子的磁矩为零，因为它们不带电。出乎意料的是，实验科学家斯特恩测得质子的磁矩为5.6单位核子，中子的磁矩不为零。而是-3.82个单位的核粒子，这与点粒子理论相悖。这些都清楚地表明，质子和中子并不像我们想象的那么简单，它们可能有内部。

20世纪60年代，霍夫施塔特等人用高能电子轰击原子核，证明了核子电荷是分散的，核子确实有内部结构[1]。既然核子不是点粒子，那么它内部的物质是如何分布的？可能有三种情况:或者核内有硬核，核如桃；或者颗粒多，像石榴，种子多；或者没有颗粒，松散如棉絮。在这种情况下，进一步的决定取决于深度非弹性散射实验。

深度非弹性散射实验是指质子或中子与极高能量的电子发生碰撞，将后者激发到离散的能级，即共振态，甚至激发到离解π介子的连续激发态。非弹性散射实验会改变质子和中子的静止质量。实验表明，质子和中子内部存在点状的准自由粒子，携带一定的动量和角动量。质子和中子内部的这些点状粒子是什么？它的属性是什么？

第二，夸克模型

1964年，美国科学家盖尔曼提出了强子结构的夸克模型。强子是粒子分类体系的一个概念，质子和中子都属于这个范畴。“夸克”一词最初指的是德国奶酪或海鸥的叫声。当盖尔曼提出这个模型时，他没有想到会得到物理学家的认可，所以他用了这个幽默的词。夸克也是费米子。也就是有一个1/2的自旋。因为质子中子的自旋是1/2，所以三个夸克可以形成自旋为1/2的质子和中子。两个正负夸克可以形成自旋为整数的粒子，称为介子，比如π介子和J/ψ。它实际上是由粲夸克和反粲夸克组成的夸克对。所有由三个夸克组成的粒子都称为重子，重子和介子合称为强子，因都参与强相互作用而得名。原子核内质子之间的斥力很强，但由于强相互作用力(核力)，原子核仍能稳定存在。根据夸克模型，夸克是分数的。每个夸克的电荷为+2/3e或-1/3e (e为质子电荷单位)。根据现代粒子物理学，夸克(味)有六种，称为上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克和底夸克，它们构成了所有的强子。例如，一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成。下夸克的电荷为-1/3e。上下夸克的质量略有不同。中子的质量略大于质子的质量。过去人们认为这可能是由于中子和质子的电荷不同造成的。现在看来，这应该归因于下夸克的质量略大于上夸克的质量。

质子和中子组成:一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成。

虽然当时夸克模型取得了不少成功，但也遇到了一些麻烦。比如重子的夸克结构理论，认为ω-和δ++等重子可以由三个相同的夸克组成，都处于基态，自旋方向相同。这种同一能级有三个相同粒子的现象违反了泡利不相容原理。泡利不相容原理说两个费米子不能处于同一状态。夸克的自旋是半整数。然后我给它们一个数字或者一个“颜色”(红黄蓝)，三个夸克就不一样了，就不再违反泡利原理了。的确，在1964年，格林伯格引入了“色”的概念，一种夸克的自由。当然，这里的“色”不是。

它是视觉感知的颜色，与新引入的自由度同义。与电子的电荷类似，夸克也带有颜色。这样每个夸克就有了三种颜色，夸克的种类也从原来的六种扩展到了18种。加上它们的反粒子，自然界有36种夸克。与轻子(如电子、μ子、τ中子及其对应的中微子)和规范粒子(如光子、转移控制夸克和轻子衰变的弱相互作用的三个中间玻色子、转移强(色)相互作用的八个胶子)一起构成了一个广阔的世界。夸克有颜色自由。

该理论得到了许多实验的支持，并在20世纪70年代发展成为一个重要的强相互作用理论——量子色动力学。

三、量子色动力学及其特征

“量子色动力学”这个名字听起来有点吓人，很难念。应该这样读:量子/颜色/动力学。根据这个理论，夸克是带色的，胶子场是夸克之间相互作用的媒介。这提醒我们，电子是带电的，电子之间相互作用的介质是电磁场(光子场)。的确，我们已经有了电荷的动力学，它被称为“量子”。发展于三四十年代，普通读者对电磁相互作用比较熟悉，所以我们以它为例来了解质子中子中的颜色相互作用。电磁场麦克斯韦方程的量子化就是量子电动力学，具体来说，量子电动力学研究的是电子和光子之间的量子碰撞(即散射)。自然，量子色动力学研究的是夸克和胶子之间的量子碰撞。

胶子是色场的量子，就像光子是电磁场的量子一样。胶子和光子都是中等粒子，质量为0，自旋为1，都属于规范粒子。两个电子之间的相互作用是通过传递一个虚光子发生的(虚光子只是在相互作用中间产生的，其能量和动量不成正比，所以不能独立存在，产生后会瞬间湮灭。根据相对论，自由运动的电子不能发射真实的光子，但可以发射虚光子。是实实在在的光子给了我们光和热能，它们的能量和动量成正比。离开源头后，它们可以独立存在。自然，两个夸克之间的相互作用是通过转移一个虚胶子发生的。虚胶子将一个夸克的部分能量和动量携带给另一个夸克，因此两个夸克通过胶子相互作用。看这里，我们

会说，不是重复了吗？量子色动力学可以根据葫芦画瓢用量子电动力学来建立。太简单了！但其实没那么简单。按照群论的语言，电磁场是U(1)规范场，是一种阿贝尔规范场，群元可以互换，而胶子场是SU(3)规范场，是一种非阿贝尔规范场，群元不能互换。一般来说，“不会”比“不会”麻烦多了。U(1)群只有一个生成子，是1，所以只有一个光子，而SU(3)群有八个生成子，一个生成子对应一个胶子，所以有八个胶子。光子没有电荷，而胶子场是非阿贝尔规范场，场方程有一个非线性项，反映了胶子的自相互作用，所以胶子也有色电荷，夸克发出有色胶子，它自己改变颜色。所以胶子场比电磁场更复杂，所以出现了很多不寻常的现象和性质，其中最重要的是“渐近自由”和“夸克禁闭”。

“渐近自由”是指当两个夸克之间的距离很小时，耦合常数会变得很小，从而可以认为夸克是近乎自由的。耦合常数的降低是由真空的反色屏蔽效应引起的。真空中的夸克会使真空极化(也就是会给真空带来颜色)，夸克与周围真空的相互作用会导致真空极化产生的虚胶子和正负虚夸克的极化分布，最终的效应会使夸克的颜色电荷变大。这叫做颜色的反屏蔽效应(对于电荷，相反，由于真空极化，电荷吸引了带负电荷的虚数粒子，所以总电荷减少，这叫做电的屏蔽效应。与之相比，颜色的反屏蔽作用一词由此而来)。因为这种效应，在离夸克很小的距离上，距离大的夸克比它们有更多的色荷，所以小距离上的强效应相对弱一些。这就是所谓的“渐近自由”。渐近自由是量子色动力学的一个重要成果，它使得高能色动力学可以用微扰理论来计算。但在低能或大距离的情况下，由于强耦合常数和约束力的存在，计算变得困难。

量子色动力学可以预言小距离的“渐近自由”，但不能预言大距离的“夸克禁闭”，这是量子色动力学的难点。

“夸克禁闭”是指夸克无法逃离质子。红黄蓝夸克无色，强子无色。一旦夸克可以逃离质子或强子，自然界就会出现有色粒子。有色粒子导致真空的进一步极化，有色电荷之间的限制电势非常大。整个真空被高能着色，导致真空爆炸。实际上，这些都没有发生，这表明自然界中没有自由夸克。那么我们会问:夸克倾倒是一种数学技巧还是一种物理现实？研究这个问题是对夸克模型的一个检验。但是，现在有了夸克的间接证据，物理学家认为夸克应该确实存在。物理学家提出了几个关于为什么夸克应该被限制的理论。有人提出了口袋模型，比如认为质子是被真空挤压的口袋，可以束缚夸克，不能逃逸；有人提出弦理论，认为夸克被绑在一根弦的两端，但这根弦很难被拉断。即使断裂，断裂处也产生一对正负夸克，原来的强子断裂成两个新的强子，这样自由夸克永远不可能出现；也有人说，既然胶子带色电，那么胶子之间就会有色磁引力，使色力线收紧并平行，就像一个带电电容器的两块板因为平行的电力线而相互吸引一样，所以夸克也有类似的引力；格点规范理论的面积定律证明了夸克之间存在线性禁闭势；90年代中期，塞伯坦和威滕利用他们的四维空间量子场论证明了磁单极凝聚也可以导致夸克禁闭。关于夸克禁闭的理论有很多，恰恰说明我们对强度的认识还不充分。

四、核结构图像和核衰变

对介子谱的研究表明，除了单胶子交换引起的色库仑力外，夸克之间还存在色禁闭力，其势随距离线性增加。如上所述，虽然线性禁闭势的来源尚不清楚，但可以认为正是这种势导致夸克被禁闭。然而，这种观点可能会受到质疑。因为用相对论波动方程求解介子能谱，发现波函数在无穷远处不收敛到零，而是一个散射解。这意味着我们应该检测它。原来禁闭势在无穷远处是如此巨大，以至于扰动真空导致正负夸克的产生。实际上，这些夸克并没有被探测到。一个原因可能是在很远的距离上夸克的质量会变得非常巨大，远远超过线性势，抑制了真空扰动产生正负夸克的能力。夸克的质量会随着距离的增加而增加。可以用真空色偏振(导致真空中有颜色)来解释。真空色极化使色电荷像滚雪球一样越来越大，夸克的能量和质量也相应越来越大。浸在真空中的单个夸克质量巨大，真空没有足够的能量产生这些夸克，最终可能导致夸克禁闭。

对于强子结构，用不同的理论模型来描述不同的能态。基态质子和中子可以用量子力学的薛定谔方程求解，强子的质量主要由夸克承担。对于激发态的共振粒子，弦模型是成功的，认为重子和介子的质量和自旋主要由弦(色力管)提供[10]；对于能量较高的强子激发态，由于真空色极化很强，强子的质量主要是色极化质量，夸克和弦的质量很小。目前，用一个统一的理论来描述不同能态下的质子和中子结构是不可能的。

我们上面讨论的是质子中子的静态性质及其共振态。我们来说说他们的腐朽。原子核中的质子中子是稳定的，而自由中子是不稳定的，其寿命约为11分钟。中子比质子略大，因此它们可以有足够的能量衰变为质子，并释放出一个电子和一个电子型中微子。在夸克层次上解释这个过程实际上是

，本身成为一个上夸克(带+2/3e电荷)，W-衰变为一个电子和一个电子型反中微子。因为质子中子的重子数都是+1，轻子数是0，所以电子和电子型中微子的重子数都是0，轻子数分别是+1和-1。所以在这个过程中重子数和轻子数是守恒的。目前的粒子物理标准模型(量子电动力学、弱电统一理论、量子色动力学)认为重子数守恒，质子是最轻的重子，所以不能衰变为其他重子，是永恒的。因为人们遇到的物质世界主要由重子组成，所以很容易相信质子是永恒的。然而，有一种理论预测这个概念是错误的。质子衰变为正电子和中性π介子，重子数和轻子数不是绝对守恒的。这个理论是一个大统一理论，试图把强、弱、电相互作用统一起来，用一个耦合常数来描述。大统一理论包含标准模型，但它比标准模型更大，因此有更多规范玻色子传递相互作用。虽然这些规范玻色子是一种具有超弱场的量子，但是，质子中的下夸克会释放这个规范玻色子，自己成为正电子，而质子中的一个上夸克吸收这个规范玻色子，成为上夸克的反粒子(反上夸克)，与质子中的另一个上夸克结合，形成中性π介子。因为夸克-轻子变换场很弱，质子会衰变，但是它的衰变寿命很长，大约100万亿年。我们宇宙的寿命只有几百亿年，所以质子的平均寿命比宇宙长十万亿倍。在你的有生之年，你体内的质子只能衰变十分之几，所以不用担心质子衰变会给我们的生活带来不便。质子衰变只是理论预测，实验证明并没有完全结束。

如前所述，质子中的点粒子是夸克，实际上还包括胶子和不断产生和湮灭的海夸克。过去认为质子自旋是1/2，由三个夸克提供，但今天的研究无法支持这种观点。质子中三个夸克的总角动量只占质子自旋的15%，大部分自旋可能由胶子和海夸克承担。

动词 （verb的缩写）简要

虽然在1995发现了胶子和顶夸克的证据，但是强子结构的研究和自由夸克的探索仍然需要走很长的路。夸克禁闭的根本原因是线性禁闭势的存在还是色偏振导致的？夸克禁闭是暂时的还是永久的，值得进一步研究。如果夸克被永久禁闭，强子将永远是无色的，这正是一句话:“。