粒子與反粒子

呂立君

（赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

粒子與反粒子

呂立君

（赤峰學(xué)院 物理與電子信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

微觀粒子的種類達(dá)數(shù)百種之多，每種粒子都有相應(yīng)的反粒子.本文介紹了正反粒子的夸克譜及其簡單性質(zhì).

夸克；強(qiáng)子；反粒子；反物質(zhì)

豐富多彩的物質(zhì)世界可分成三個(gè)層次，宏觀物質(zhì)、微觀粒子和宇觀物質(zhì)，還原到微觀本源，它們都是由微觀粒子構(gòu)成.我們知道，鐵塊由鐵原子構(gòu)成，但原子并不是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元.原子由原子核和電子構(gòu)成，原子核又由核子構(gòu)成，核子仍然不是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元.其實(shí)人們?cè)谘芯吭雍说慕Y(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)了許多粒子，如ve、vμ中微子，K±、K0介子，Λ、∑、Ξ、Ω超子等等，粒子的種類已達(dá)數(shù)百種之多,這些粒子構(gòu)成了千變?nèi)f化的物質(zhì)世界.隨著粒子物理學(xué)的發(fā)展，對(duì)反粒子及反物質(zhì)的研究和探索也在不斷深入.

表1 粒子分類

1 粒子的分類

粒子間的相互作用可歸為四類：萬有引力相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、強(qiáng)相互作用.各種粒子間的相互作用是靠媒介粒子來傳遞的.電磁相互作用的媒介粒子是光子g，弱相互作用的媒介粒子是中間玻色子W±和Z0，強(qiáng)相互作用又分為基本基本相互作用和剩余作用，基本相互作用的媒介粒子是膠子G，剩余相互作用的媒介粒子是介子（如核子間的作用（π介子）不再是基本相互作用，是剩余效應(yīng)），引力作用的媒介粒子是引力子g.這些傳遞相互作用的媒介粒子稱規(guī)范粒子.主要參與弱相互作用而不參與強(qiáng)相互作用的粒子稱輕子，一切參與強(qiáng)相互作用的粒子統(tǒng)稱為強(qiáng)子.將粒子按他們間的主要相互作用分類見表1.

迄今為止，直到10-20cm尚未發(fā)現(xiàn)輕子有任何內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可認(rèn)為是基本粒子.而強(qiáng)子并不“基本”，強(qiáng)子有復(fù)雜的結(jié)構(gòu).

2 強(qiáng)子的夸克譜[1]

假定核子是只存在電磁相互作用的點(diǎn)狀粒子，狄拉克的理論結(jié)果是，質(zhì)子的磁矩μp是一個(gè)核磁子μN(yùn)，而中子的磁矩為零.在1932年斯特恩測(cè)得質(zhì)子的磁矩為2.79μN(yùn)，后來又測(cè)得中子的磁矩為-1. 91μN(yùn)，它們遠(yuǎn)離狄拉克理論的預(yù)言，這使人們猜想核子有內(nèi)部結(jié)構(gòu).1956年霍夫斯塔夫（R.Hofstadter）用高速電子轟擊質(zhì)子時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的電荷有個(gè)分布，電荷半徑約為0.7fm，后來又發(fā)現(xiàn)中子雖然整體呈中性，但內(nèi)部卻有正電和負(fù)電，電荷分布半徑約為0.8fm，它們都不是點(diǎn)粒子.1963年蓋爾曼等人提出強(qiáng)子是由夸克（quark）組成的模型.夸克模型認(rèn)為，所有的重子都由三種夸克組成，介子由一種夸克和一種反夸克組成.夸克有六種，分別是上夸克（u）、下夸克（d）、奇異夸克（s）、粲夸克（c）、底夸克（b）和頂夸克（t），這六種夸克被稱為帶有六種“味道”的夸克.另外，所有的夸克都帶有“顏色”量子數(shù)，且每種夸克有三種顏色：紅、綠、藍(lán).六味夸克被分為三代，每代夸克之間的質(zhì)量差別很大，它們的量子特性見表2.目前的實(shí)驗(yàn)和理論上認(rèn)為夸克和輕子是基本粒子，還沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明它們具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以看做是點(diǎn)粒子.

表2 夸克（Quark）的量子特性

表3 反夸克的量子特性

夸克有六種“味”，三種“色”，每一種夸克還有相應(yīng)的反夸克，如總數(shù)有36種，它們是“真正”的基本粒子，是構(gòu)成強(qiáng)子的基本單元.其中分別稱為u、d、s、c、t、b的反粒子.部分反夸克的量子特性見表3.

粒子與反粒子的質(zhì)量、壽命、自旋等量子數(shù)相同，但電荷、輕子數(shù)、重子數(shù)、超荷、IZ、奇異數(shù)S等量子數(shù)相反.

自從夸克模型提出以來，人們用許多方法尋找自由夸克，至今仍沒有找到自由夸克，即所謂夸克禁閉.人們認(rèn)為夸克間的強(qiáng)相互作用很強(qiáng)，現(xiàn)有的加速器能夠達(dá)到的能量還不能夠把單獨(dú)夸克打出來，而夸克模型的結(jié)果與一系列的實(shí)驗(yàn)符合的很好.現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的由夸克構(gòu)成的束縛態(tài)（即強(qiáng)子）有數(shù)百種之多，這些強(qiáng)子可分為兩類：一類是由三夸（qqq）克構(gòu)成的重子，另一類是由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克（構(gòu)成的介子.表4、表5分別列出部分介子和重子的夸克譜[2,3].

表4 介子夸克譜

表5 重子夸克譜

3 反粒子

1928年英國劍橋大學(xué)教授保羅·狄拉克通過數(shù)學(xué)計(jì)算，提出電子有兩種存在形式，除了有帶負(fù)電荷的電子外，還有帶正電荷的電子.

1932年美國物理學(xué)家安德遜應(yīng)用云室技術(shù)研究高能宇宙線時(shí)發(fā)現(xiàn)，有—種粒子的行為很像是電子，但是彎曲的方向與電子正相反.安德森認(rèn)為，它是—種帶正電的“電子”——正電子（e+），它與電子

質(zhì)量相等都相同，只是電荷相反.這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了狄拉克關(guān)于“反電子”的設(shè)想.正電子（）是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)反粒子.1955 年美國人賽格雷和張泊倫在用高能（6.2GeV）質(zhì)子連續(xù)轟擊銅靶，發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子（）它帶負(fù)電，磁矩同自旋方向相反.1956年人們又發(fā)現(xiàn)了中子的反粒子——反中子（）.中子不帶電但有磁矩，數(shù)值為-1.91280核磁子，負(fù)號(hào)表明同自旋方向相反.反中子與中子的區(qū)別是，反中子（）的磁矩是正的，即反中子的磁矩與自旋同方向.1956 年柯萬和雷尼斯從裂變反應(yīng)堆的強(qiáng)中子流中發(fā)現(xiàn)了反中微子（），中微子具有自旋，自旋的方向與線動(dòng)量的方向相反，即左旋中微子，反中微子也具有自旋，自旋的方向與反中微子線動(dòng)量的方向相同，即右旋中微子.1959 年我國物理學(xué)家王淦昌發(fā)現(xiàn)了反西格馬負(fù)超子（），意大利科學(xué)家阿馬耳基發(fā)現(xiàn)反西格馬正超子（），20世紀(jì)60年代，“基本粒子”中的反粒子差不多全被人們找到了.

表6 粒子與反粒子的性質(zhì)

一般來說正反粒子是靠其電荷不同相區(qū)別的.但電荷只是粒子的一種屬性，還用重子數(shù)和輕子數(shù)等物理量描述的其他屬性.粒子與相應(yīng)的反粒子的質(zhì)量、壽命、自旋等量子數(shù)相同，但電荷、輕子數(shù)、重子數(shù)、超荷、IZ、奇異數(shù)S等量子數(shù)相反.費(fèi)米子和反費(fèi)米子的內(nèi)稟宇稱是相反的，如、p、n、、∑±,0、Θ-,0、Ω-的宇稱是偶性的，而它們的反粒子、的內(nèi)稟宇稱是奇性的.玻色子和反玻色子的內(nèi)稟宇稱是相同的，如和，和，和的內(nèi)稟宇稱都是奇性的.粒子與反粒子的性質(zhì)見表六.各種強(qiáng)子的詳細(xì)性質(zhì)見文獻(xiàn)[4]和[5].

4 反物質(zhì)

粒子實(shí)驗(yàn)已證實(shí)，正反粒子的強(qiáng)相互作用和電磁作用性質(zhì)完全一樣，因此反質(zhì)子和反中子能結(jié)合成帶負(fù)電的反原子核，反原子核和反電子結(jié)合在一起，就能組成反原子.

歐洲核子研究中心在1995年第一次制造出了反氫原子，但只能存在幾個(gè)微秒的時(shí)間，就與周圍環(huán)境中的正氫原子相碰并湮滅.2010年歐洲核子研究中心的科學(xué)家通過大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，成功制造出少量的“反物質(zhì)”即少量的反氫原子，并利用特殊的磁場使其存在了“較長時(shí)間——約0.17秒”，這是科學(xué)家首次成功“抓住”反物質(zhì)原子.2011年6月5日歐洲核子研究中心的科研人員宣布已成功抓取反氫原子超過16分鐘.2011年5月初，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)與美國科學(xué)家合作發(fā)現(xiàn)迄今最重的反物質(zhì)粒子——反氦.如果能量足夠，無疑將會(huì)組成更為復(fù)雜的反原子.

5 反星球和反星系

至今的天文觀測(cè)無法區(qū)分所接收到的信息是物質(zhì)天體還是反物質(zhì)天體發(fā)出的.但是高能宇宙線的產(chǎn)生、某些星系中氫的大量發(fā)現(xiàn)、類星體的存在等，使人們有理由認(rèn)為可能存在反星系.

高能宇宙線的產(chǎn)生：正反粒子質(zhì)湮，將轉(zhuǎn)化為與質(zhì)湮粒子的靜止質(zhì)量相當(dāng)?shù)木薮竽芰?，或轉(zhuǎn)化成能量和一些較小的粒子.天體信息，多是以光子即電磁波的形式傳來，由于光子是自身的反粒子,所以來自遙遠(yuǎn)星系的強(qiáng)輻射流,可能暗示著反物質(zhì)團(tuán)塊的實(shí)際存在.

某些星系中氫的大量發(fā)現(xiàn)：因?yàn)闅渑c反氫的光譜完全一樣而難以區(qū)分.

類星體的存在：類星體的體積很小(直徑不到1光年)，釋放的能量比銀河系所有恒星釋放的總能量還要多得多，這樣劇烈的反應(yīng)可能是正反物質(zhì)的湮滅反應(yīng).

1997年4月美國天文學(xué)家宣布，利用伽馬射線探測(cè)衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)銀河系中心存在反物質(zhì)噴泉，這標(biāo)志著反物質(zhì)的探索向前邁進(jìn)了一大步.相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和科學(xué)研究的不斷深入，人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)會(huì)更全面.

〔1〕楊福家.原子物理學(xué)[M].高等教育出版社,2000.

〔2〕褚圣麟.原子物理學(xué)[M].高等教育出版社,2003.

〔3〕寧平志,李磊.原子核物理基礎(chǔ)[M].高等教育出版社,2003.

〔4〕Caso C,etal.ParticleDataGroup.Euro. Phys.J.,1998,C3:1;2000,C15:1.

〔5〕HagiwaraK,etal.ParticleDataGroup.Phys.Rev.,2002,D66:010001.

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