粒子物理簡介

郝政超

摘要：粒子物理是研究物質(zhì)基本組成及其相互作用的物理學(xué)分支，在宇宙大爆炸的初期，宇宙中有的只是極高溫度的熱輻射和隱現(xiàn)的高能粒子。早期宇宙成了粒子物理學(xué)的研究對象，粒子物理學(xué)家也希望從宇宙早期演化的觀測中獲得信息和證據(jù)來檢驗(yàn)極高能量下的粒子理論，這樣物理學(xué)中研究最大對象和最小對象的兩個(gè)分支——宇宙學(xué)和粒子物理學(xué)就奇妙地聯(lián)系在了一起。主要介紹了粒子物理的基本粒子及其相互作用。

關(guān)鍵詞：基本粒子;相互作用;漸近自由;等離子體

中圖分類號(hào)：0320

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.037

1 粒子物理的基本粒子簡介

你知道原子中的正電荷與電子是如何分布的嗎？最早，湯姆遜提出了棗糕模型，即原子質(zhì)量與正電荷如同糕點(diǎn)均勻分布，電子則如同棗一樣嵌入在糕點(diǎn)之中。后經(jīng)a粒子散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，放射性元素發(fā)出的a粒子穿過金箔后射到熒光屏上產(chǎn)生閃光點(diǎn)可用顯微鏡觀察到，絕大多數(shù)a粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進(jìn)，但有少數(shù)a粒子發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，極少數(shù)a粒子甚至被反彈回來。這些證實(shí)了湯姆遜棗糕模型是不正確的，因?yàn)殡姾刹⒉皇蔷鶆蚍植嫉?。之后，盧瑟福提出了核式結(jié)構(gòu)模型，即在原子中心有一個(gè)很小的核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在核里，而電子則在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn)。這是人們所認(rèn)可的模型，經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)檢測，也是正確的核子模型。

質(zhì)子和中子被統(tǒng)稱為核子。1930年，博特和貝克爾發(fā)現(xiàn)金屬鈹在a粒子轟擊下產(chǎn)生一種貫穿性很強(qiáng)的輻射。1932年，居里夫婦用其轟擊石蠟打出質(zhì)子，他們都認(rèn)為這是一種高能量的γ射線，但是查德威克斷定這種射線不可能是γ射線，因?yàn)棣蒙渚€不具備從原子中打出質(zhì)子所需要的動(dòng)量，并且他認(rèn)為只有假定這是一種質(zhì)量跟質(zhì)子差不多的中性粒子才能解釋這一現(xiàn)象。經(jīng)過不斷檢驗(yàn)，他的這一假設(shè)被證實(shí)是完全正確的。那么他們?yōu)槭裁磿?huì)聚集在原子核內(nèi)部，而不跑出來呢？核力是能夠克服質(zhì)子之間的庫侖斥力，使核子結(jié)合成原子核的力，它只在原子核的限度內(nèi)存在并且對質(zhì)子與中子”一視同仁”，對它們都有極強(qiáng)的束縛作用，使它們無法逃出原子核。由于核力只存在于相鄰核子間，所以增加核子數(shù)并不能顯著增大核子間的束縛能力。原子核的穩(wěn)定性取決于核力與庫侖力的較量。輕核束縛能小是因?yàn)闆]有足夠的核子來提供核力，而重核束縛能小是因?yàn)閹靵龀饬﹄S著質(zhì)子數(shù)增加而變大，這也是核反應(yīng)堆中的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的原理。如果單純增加中子也會(huì)遭受泡利不相容原理引起的斥力，那么什么又是泡利不相容原理呢？在費(fèi)米子組成的系統(tǒng)中不能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的粒子處于完全相同的狀態(tài)，這是成為電子在核外排布成周期性從而解釋元素周期表的準(zhǔn)則之一。

所有的粒子都無法逃出原子核嗎？其實(shí)不然，不穩(wěn)定的原子核自發(fā)地放出射線而轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N原子核的過程稱為衰變。a衰變?yōu)樵雍俗园l(fā)地放射出a粒子而轉(zhuǎn)變成另一種核的一種過程，原子序數(shù)大于82和質(zhì)量數(shù)大于209的放射性元素以a衰變?yōu)橹?。根?jù)不確定性原理，a粒子可以在短時(shí)間內(nèi)”借取”某些能量逃逸到其他核子勢力范圍之外，在庫侖斥力下成為自由粒子。把粒子想象成一個(gè)犯人，他被囚禁在原子核監(jiān)獄中，后來有一天他突然爆發(fā)了，成功地越獄了，然后他就成為一個(gè)自由的人了。

對核子再進(jìn)行細(xì)分，又會(huì)是什么成分呢？那就是夸克?？淇耸亲孕秊?/2的費(fèi)米子，具有六種不同的“味道”，分別為上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克，并且每個(gè)夸克可以攜帶紅、綠、藍(lán)三種顏色，這里的顏色只是一種新的自由度/量子數(shù)，與日常生活中的“顏色”沒有任何關(guān)聯(lián)。帶電粒子間的電磁相互作用是通過交換光子而實(shí)現(xiàn)的，光子自身不帶電。與此類似，具有色荷的夸克之間的強(qiáng)相互作用是通過交換膠子而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)兩個(gè)夸克的色荷交換膠子時(shí)它們自身的色彩會(huì)同時(shí)改變。膠子會(huì)攜帶發(fā)出者的反色彩以補(bǔ)償發(fā)出者的色變，它也會(huì)攜帶接收者的色彩。因膠子本身有色，因此它們也能與其他膠子互相作用。這些膠子與膠子的直接耦合，使色動(dòng)力學(xué)遠(yuǎn)比電動(dòng)力學(xué)更加復(fù)雜，現(xiàn)象也更加豐富。

在自然界中不存在攜帶顏色的粒子，實(shí)驗(yàn)表明，夸克被兩兩（介子）或者三三（重子）地束縛成無顏色的組合。如果量子色動(dòng)力學(xué)理論是正確的，那么它就必然包含對夸克禁閉的解釋，也就是說，一定能夠證明夸克只能以無色組合的形式存在于自然界中。

2 夸克漸近自由現(xiàn)象簡介

量子色動(dòng)力學(xué)理論最大的成功之一在于發(fā)現(xiàn)了該理論中的耦合常數(shù)其實(shí)并不是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)耦合常數(shù)是依賴于相互作用粒子間的距離的。雖然在粒子間距相對較大時(shí)，耦合常數(shù)很大，但是在粒子距離很小時(shí)，它變得非常小。這種現(xiàn)象就是量子色動(dòng)力學(xué)兩種特有現(xiàn)象之一的漸近自由。

1969年，物理學(xué)家奧西夫-赫里波維奇在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了SU （2）規(guī)范場理論具有漸近自由這一現(xiàn)象，但他并未意識(shí)到它的重要性，而是把它當(dāng)成一個(gè)有趣的數(shù)學(xué)問題。1972年，杰拉德·特·胡夫特也發(fā)現(xiàn)了這一效應(yīng)，但是不知是何原因，他并沒有宣布發(fā)現(xiàn)了漸近自由。直至1973年，格羅斯、弗蘭克·維爾切克和柏麗策這三位科學(xué)家再次發(fā)現(xiàn)了漸近自由，他們知道漸近自由是和強(qiáng)相互作用物理有關(guān)的，于是發(fā)表了關(guān)于漸近自由的發(fā)現(xiàn)。因此他們?nèi)猾@得了2004年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。漸近自由的發(fā)現(xiàn)對量子場論的再次復(fù)興具有極其重要的意義。在1973年之前，因?yàn)槔实榔纥c(diǎn)的存在，所以很多物理學(xué)家對量子場論都持一種懷疑的態(tài)度。這個(gè)問題在量子電動(dòng)力學(xué)中同樣存在，致使不少物理學(xué)家都認(rèn)為朗道奇點(diǎn)是無法避免的。而漸近自由理論恰恰相反，在距離較小時(shí)，粒子之間的相互作用會(huì)變得非常小，這樣就避免了朗道奇點(diǎn)的存在。人們普遍認(rèn)為這種量子場論，在任何距離尺度下均保持一致。

漸近自由可以通過重整化群中的函數(shù)來進(jìn)行論證，該函數(shù)可以描述在重整化群下的“跑動(dòng)”的耦合常數(shù)的變化情況。當(dāng)粒子間的距離足夠?。ɑ蛘叩葍r(jià)地，發(fā)生大動(dòng)量轉(zhuǎn)移時(shí)），人們可以通過費(fèi)曼圖的微擾理論計(jì)算得到漸近自由。