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胶子、磁单极子和夸克禁闭

(2014-02-11 09:34:01)
标签:

物理学

分类: 科学

在物理学中,胶子是一种负责传递强核力的玻色子。它们把夸克捆绑在一起,使之形成质子、中子及其他强子。胶子的电荷为零,但自旋是1。它们通常假设为无质量,但可能具有大至几百万电子伏特(MeV)的能量。胶子是维持原子核稳定的重要一环。

在量子色动力学(QCD,是一广为接受描述强核力的理论)中,当两颗粒子色荷互相作用时便会交换胶子。当两颗夸克交换胶子时,它们自身的色彩亦会同时改变;胶子会携带发出者的反色彩以补偿发出者的色变,它亦会携带接收者的色彩。因胶子本身有色,故它们亦能与其它胶子互相作用,令到对于强核力的数学分析十分复杂和困难。

理论上预言传递夸克之间强相互作用的粒子。共8种,静质量为0,自旋为1,具有色荷。带电粒子间的电磁相互作用是通过交换光子而实现的;与此类比,具有色荷的夸克之间的强相互作用是通过交换胶子而实现的,所不同的是光子不带电荷,光子本身不能放出或吸收光子;胶子具有色荷,胶子之间也有强相互作用,胶子本身可放出或吸收胶子。实验上还未发现自由状态的胶子,但1968年电子对质子的深度非弹性散射实验中,显示质子中有着点状结构,质子的能量只有一半由带电的点状物质所携带,另一半则由中性的无电磁作用的组分所携带。按照夸克模型,这带电的点状结构是夸克,中性的组分就是胶子,实验结果提供了可能存在胶子的迹象。1979年在高能正负电子对撞实验中发现三喷注现象,进一步显示了胶子的存在。

磁单极子是理论物理学弦理论中指一些仅带有N极或S极单一磁极的磁性物质,它们的磁感线分布类似于点电荷的电场线分布。这种物质的存在性在科学界时有纷争,截至2012年尚未发现以基本粒子形式存在的磁单极子。可以说是21世纪物理学界重要的研究主题之一。

英国物理学家狄拉克早在1931年利用数学公式预言了磁单极子的存在。当时他认为既然带有基本电荷的电子在宇宙中存在,那么理应带有基本磁荷的粒子存在。塞伯格和威滕两位美国物理学家于1994年首次证明出磁单极子存在理论上的可能性。

也有理论认为,磁单极子不是以基本粒子的形式存在,而是以自旋冰等奇异的凝聚态物质系统中的出射粒子的形式存在。

磁单极粒子复杂的相互作用过程,与目前我们所了解的一般电磁现象截然不同,磁单极子问题不仅涉及物质磁性的一种来源、电磁现象的对称性,而且还同宇宙极早期演化理论及微观粒子结构理论等有关。磁单极子的引出对同性电荷的稳定性、电荷的量子化、轻子结构、轻子和强子的统一组成、轻子和夸克的对称等难题等,都能给以较好的解释。

在高能物理中,有一批粒子都只是在理论上存在,而从未被观测到的,比如任意子和轴子,它们中最著名的可能要数希格斯玻色子。

夸克禁闭是一种物理现象,描述夸克不会单独存在。由于强相互作用力,带色荷的夸克被限制和其他夸克在一起(两个或三个组成一个粒子),使得总色荷为零。夸克之间的作用力随着距离的增加而增加,因此而不能发现单独存在的夸克。

夸克是在宇宙产生1010秒后产生的,那是宇宙的温度已经下降到低于100吉电子伏,这是产生成对的WZ粒子的门槛。从那个时候起,WZ粒子接过了进行粒子间弱相互作用的任务而且也不会单独存在,除非在它们产生的地方(短暂的)。宇宙诞生后约106103秒之间,其温度降到夸克不再有足够的能量自由漫游的程度,而是两个或三个约束在一起。宇宙诞生大约1微秒后,可用能量低于几百兆电子伏,夸克和反夸克凝聚成重子和反重子。夸克等离子阶段在宇宙起源104后就结束了。

夸克禁闭也称色禁闭。在量子色动力学中,夸克除了具有的特性外,还具有三种的特性,分别是红、绿和蓝。这里并非指夸克真的具有颜色,而是借这一词形象地比喻夸克本身的一种物理属性。量子色动力学认为,一般物质是没有的,组成重子的三种夸克的颜色分别为红、绿和蓝,因此叠加在一起就成了无色的。因此计入6种味和3种色的属性,共有18种夸克,另有它们对应的18种反夸克。

夸克受到被称为色荷的强力的束缚,带色荷的夸克被限制与其他夸克在一起(两个或三个组成一个粒子),使得总色荷为零。不可能从核子中单个地分离出来,这种奇特性质被称为夸克禁闭或色禁闭,它能将粒子结合为无色的状态。

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