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粒子的分类与夸克模型

## 粒子的分类

自从电子、质子及中子被发现后，微观世界的图像变得十分清晰，物质由原子构成，原子由电子与原子核构成，而原子核由质子与中子构成。但随着理论和实验技术的不断发展，物理学家发现了越来越多的微观粒子。很显然，这些粒子不可能都是基本的。1960年以后，一些物理学家开始尝试寻找物质构成的基本粒子及其内在规律。

1964年，美国物理学家盖尔曼（M．Gell－Mann，1929－2019）等人提出夸克模型，认为质子、中子等粒子都是由更基本的 3 种**夸克**组成，分别称为上夸克（符号为 $u$ ）、下夸克（符号为 d）和奇异夸克（符号为 s），每一种夸克都有对应的反粒子——反夸克，符号分别是 $\overline{\mathrm{u}} 、 \overline{\mathrm{~d}} 、 \overline{\mathrm{~s}}$ 。 u 夸克、 d 夸克、 s 夸克所带的电荷量分别是 $\frac{2}{3} e 、-\frac{1}{3} e 、-\frac{1}{3} e$ 。质子由 2个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成。 1 个夸克和 1 个反夸克组成介子， 3 个夸克或 3 个反夸克则组成重子，介子和重子统称为强子。利用夸克模型可以对当时所发现的各种粒子进行分类并预言新的粒子。20世纪60年代，中国物理学家也提出了类似的层子模型。

> **自主活动**：质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，表示为 $\mathrm{p}=\mathrm{uud}$ ；中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d夸克组成，表示为 $\mathrm{n}=\mathrm{udd}$ 。试用以上方式表示反质子 $\overline{\mathrm{p}}$ 和反中子 $\overline{\mathrm{n}}$ 。

参考答案：反质子和反中子由反夸克构成，即 $\overline{\mathrm{p}}=\overline{\mathrm{u}} \overline{\mathrm{u}} \overline{\mathrm{d}}, \overline{\mathrm{n}}=\overline{\mathrm{u}} \overline{\mathrm{d}} \overline{\mathrm{d}}$ 。

进入 20 世纪 60 年代后，随着加速器能量的不断提高，发现了越来越多的微观粒子，这些粒子大部分是强子，即参与强相互作用的粒子。为了给这些粒子进行分类，坂田昌一提出了坂田模型，盖尔曼提出了基于对称性的八重法，均取得了一定的成功。在此基础上，盖尔曼提出了夸克模型。几乎同时，茨威格也提出了类似的模型，只是将类似夸克的粒子命名为 Ace，但是论文没有正式发表，所以茨威格的工作没有受到重视。

夸克模型刚提出时，只有 $\mathrm{u} 、 \mathrm{~d} 、 \mathrm{~s}$ 三种夸克。夸克模型在解释现有粒子的性质以及预言新粒子等方面取得了很大的成功，但也存在一些问题。随着实验的进展，又陆续发现了 $\mathrm{c} 、 \mathrm{~b} 、 \mathrm{t}$ 夸克。进一步的研究发现，为了正确描述强子的自旋－统计性质，必须给夺克引入颜色自由度，即每一种夸克都有红、蓝、绿三种颜色，而同一种夸克的不同颜色之间是严格对称的。这个发现导致了描述强相互作用的理论——**量子色动力学的建立**。

对微观粒子而言，引力作用比其他相互作用要弱得多，所以不需要考虑。电磁相互作用只发生在带电粒子之间。强相互作用和弱相互作用是短程力，只在核子尺度内起作用。

杨振宁和米尔斯在 1954 年提出的理论是为了解释核子之间的相互作用，当时并不成功。但杨振宁提出的基于对称性的规范场思想却产生了深远的影响，直接导致了后来弱电统一理论和量子色动力学的建立。

### 夸克

1974年，美籍华裔物理学家丁肇中（1936—）及美国物理学家里克特（B．Richter， 1931—）领导的研究组分别发现了 $\mathrm{J} / \psi$ 粒子。与同类型的强子相比，J $/ \psi$ 粒子有一些新的性质无法用已有的 3 种夸克来解释。为此，物理学家引入了第 4 种夸克——粲夸克（符号为 c），并认为 $\mathrm{J} / \mathrm{\psi}$ 粒子是由 c 夸克和 c 夸克所组成。 20 世纪 70 年代中后期，粒子物理学家又利用对撞机先后发现了底夸克（符号为 b）和顶夸克（符号为 t）存在的实验证据。不同的 $u 、 d 、 s 、 c 、 b 、 t$ 被称为夸克的味，进一步的研究发现，每一种味的夸克还有红、蓝、绿 3 种不同的色，再加上各自的反夸克，一共有 36 种不同的夸克和反夸克。

需要指出，夸克的味或色只是用来表示夸克的属性，并不是说夸克真有不同的味道或颜色。实际上我们并不能看到自由的夸克，夸克只能通过强子的形式被观察到，这一性质称为夸克禁闭。

电子被发现后，1936年在宇宙线中发现了与电子相似但质量约为电子质量 200 倍的 $\mu$子，1975年又发现了质量更大的 $\tau$ 子。这 3 种粒子以及相应的中微子 $v_{\mathrm{e}} 、 v_\mu 、 v_\tau$ 统称为轻子。考虑到反粒子，轻子一共有 12 种。轻子和夸克是目前已知的构成物质的最基本粒子，在目前的能量条件下，尚未发现轻子和夸克有内部结构。

自然界有四种基本相互作用（fundamental interactions），**即强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用**。前两种相互作用只在很短的距离内起作用，称为短程力。我们熟知的电磁相互作用和引力相互作用都是长程力。

表 15–1 自然界的四种相互作用

![图片](/uploads/2025-10/fea29b.jpg)
 
 
 1954年，为了描述这些相互作用，物理学家杨振宁（1922－）和米尔斯提出了规范场理论，微观粒子通过交换规范玻色子发生相互作用。规范玻色子一共有 12 种，其中带电粒子通过交换光子发生电磁相互作用，夸克通过交换＂胶子＂（共 8 种）发生强相互作用，弱相互作用则通过交换＂中间玻色子＂（共 3 种，分别为 $\mathrm{W}^{+} 、 \mathrm{~W}^{-}$及 $\mathrm{Z}^0$ ）发生。

为了解释微观粒子质量的产生，英国物理学家希格斯（P．Higgs，1929－）在1964年引入了希格斯粒子。2013年欧洲核子研究中心宣布探测到了希格斯粒子。基本的粒子种类达到 61 种。

描述电磁相互作用的理论称为量子电动力学，描述强相互作用的理论称为量子色动力学，描述弱相互作用和电磁相互作用的理论称为弱电统一理论，这些都是规范场理论。规范场理论可以很好地描述微观粒子及其相互作用，与实验结果符合得很好，因而被称为粒子物理的标准模型，它代表着当今人类对微观物质世界的认识。标准模型的成功也推动了天体物理、宇宙学和核物理学等学科的重大发展。现在人类探索物质世界的进程仍在继续。

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