为什么科学家无法找到单独存在的夸克 夸克是什么


夸克是一种基本粒子,也是物质构成的基本单元 。分子由原子构成,原子由原子核和核外电子构成,大部分原子核由质子和中子构成 。在夸克尚未被发现之前,人们以为质子是构成物质的最小微粒 。
夸克是盖尔曼由数学计算出来提出来的微笑物质 , 但还是有一些物理学家不原因接受,认为只是数学工具的的技巧而已,直到1968年SLAC(斯坦福线性加速器中心)在非弹性散射实验中指出质子内含有比它小很多的物质 , 因此质子并非是最小的物质 。这才不得不承认盖尔曼是对的,实验后把质子内部的点状物体叫成子(parton),后来命名为夸克 。

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随着粒子实验深入研究 , 目前发现夸克的类型有六种,分别是上、下、粲、奇、底及顶 。上和下夸克的质量是最轻的,每种夸克都具有电荷、色荷、自旋的性质 。每种类型的夸克都带有红、绿、蓝三种颜色 。由于夸克有六种类型,所以共有18种夸克 。
【为什么科学家无法找到单独存在的夸克 夸克是什么】夸克的反粒子叫反夸克 , 跟一般的反物质一样道理,反夸克与夸克具有一样性质,质量、平均寿命与自旋一样,但两者的电荷和颜色相反,反夸克带有反红,反绿,反蓝三种颜色 。原理类似于电子,有正电和负电 。
注:红绿蓝颜色只是代表夸克具有的特殊性质,并不是夸克真有颜色 。自旋是粒子的特性,为了符合角动量守恒,所以粒子固有的角动量称为自旋,并不是像地球一样自转 , 这里就不详加说明了 。
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上图紫色框中是六种夸克,上(u)、下(d)、奇(s)、粲(c)、底(b) 。
图中没有标上反夸克,比如上夸克“u”的反夸克对应符号为“ū”,上面加一横 。
上面三种夸克(u、c、t)带单位电荷量为+2/?,下面三种夸克(d、s、b)带有电荷量为-1/?,例如下图的质子(左边)和中子(右边),
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质子由三个夸克构成(uud),所以电荷加起来为+1,而中子的三个夸克加起来为0,所以质子带正电 , 中子不带电 。
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强力指的是强相互作用力 , 是宇宙中目前所发现的四种作用力之一,也是四种力中最强的力 。通过强力把夸克与反夸克束缚结合一起的复合粒子称为强子 。每一个夸克都带有色荷,但结合成强子后是“无色”或“白色” , 但这里的颜色不是真实颜色,可以把白色理解为中性 。如下图
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第一张是绿色与反绿色(紫色代替)结合,只有两个夸克组合 ,这类的粒子称为介子(π),两种夸克可以是不同种类的 , 例如π?=(ud?),π?=(ūd) 。
第二张是三个不同色荷的夸克组成,红色、蓝色、绿色结合,称为重子 , 最为人知的重子是质子和中子 。
第三张是由反红、反蓝、反绿合成(青色、黄色、品红替代),称为反重子,理论来说质子和中子有反质子和反中子 。
强作用力是如何作用的强力束缚着质子和中子结合成原子核,和束缚夸克在质子和中子内,而强力传递的粒子是胶子 , 胶子是矢量规范玻色子,不带有质量,每种胶子都带有一个单位的色荷颜色和一个单位的色荷反颜色 。
胶子通过发射与吸收虚粒子(数学工具),不断地来回在夸克之间的交换 , 维持着强相互作用力 。例如一蓝夸克射出一蓝_反红的胶子,这个蓝夸克就变成红夸克 , 又比如一红夸克吸收了一蓝_反红的胶子就变成蓝夸克 。由于夸克之间通过胶子与“颜色”变换维持了强作用力,所以强力也称为色力或色动束缚力 。
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上图是一个质子和一个中子被强力束缚的示意图,图中夸克所发射或吸收的“两个小圆”是一个胶子 , 带有颜色和反颜色 。强力既可以束缚夸克,剩余的力也能束缚质子和中子 。
为什么夸克不能独立?夸克与夸克之间距离越来越远时 , 所受的色动束缚力越来越强,反之距离越近所受的色动束缚力越弱 , 可以理解为一根橡皮筋,拉得越长橡皮筋的收缩力越大,反之越小 。
当“拉力”拉得越长时 , 也就是夸克之间距离越远时,“色场”中会自发的创造出更多合适色荷的胶子来维持场的强化作用 。
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如上图所示,当“橡皮筋”拉到一定程度时断裂,代表能量超出一定底线,就会生出夸克、反夸克对与分离的夸克束缚在一起,形成无色的粒子,可以理解为“色荷守恒” 。
在胶子场中 , 夸克不是不能分离而独立 , 只是分离后由合适色荷胶子瞬间“弥补”上形成新的粒子,这种现象称为夸克禁闭 , 虽然是一个理论,但一直以来科学家们寻找不到独立存在的夸克,这个理论慢慢的被更多人认可和接受 。