强子 (英语:hadron)是粒子物理学 中一种由夸克 或反夸克 通過強作用力 綑綁在一起的複合粒子 。
强子主要分为以下兩大類:
重子 :由三个夸克或三个反夸克组成,自旋 总是半整数;也就是说,它们是费米子 。例如,组成原子核的质子 和中子 都是重子。
介子 :由一个夸克和一个反夸克组成,自旋是整数;也就是说,它们是玻色子 。例如, π 介子可以是 π0 、 π+ 、 π− ,每一種都分別帶有不同的電荷 。 π0 介子是由上夸克 與反上夸克 組成,或由下夸克 與反下夸克 組成。 π+ 介子是由上夸克與反下夸克組成。 π− 介子是由下夸克與反上夸克組成。
另外,還有一些比較稀有的奇異強子 :
在所有強子之中,只有質子 是穩定的,束縛於原子核 內的中子也是穩定的,其它種類的強子在普通狀況都是不穩定的。自由中子會進行衰變 ,半衰期 約為880秒。在實驗方面,強子物理學研究通常會將質子或像鉛 一類的重元素原子核碰撞在一起,然後分析產生的粒子射叢。
詞源
在1962年國際高能物理大會 的全體會議裏,列夫‧奧肯發表演講提議創建術語「hadron」,[ 5]
儘管這篇報告論述的是弱相互作用,我們會時常談到感受強相互作用的粒子。這些粒子不只給出很多科學問題,它們也造成了一個術語問題。重點是「感受強相互作用的粒子」是一個很笨拙的術語,它並沒有使自己形成一個形容詞。因此,例如,衰變為感受強相互作用的粒子被稱為「非輕子的行為」。這定義並不精確,因為「非輕子的行為」可能指稱的是「光子的行為」。在這篇報告裏,我將稱呼「感受強相互作用的粒子」為強子,其對應衰變為強子的行為(希臘語「ἁδρός」表示為「大」、「重」的意思,而「λεπτός」表示為「小」、「輕」的意思)。我希望這術語會在未來被證明使用很方便。 — 列夫‧奧肯,1962年
性質
每一種強子的總色荷為零。例如,一個介子的綠色與品紅色(反綠色)箭矢相互抵銷成為白色;一個重子的紅色、綠色、藍色箭矢相互抵銷成為白色;一個反重子的黃色(反藍色)、品紅色(反綠色)、青色(反紅色)箭矢相互抵銷成為白色。
根據夸克模型 ,強子的性質主要是決定於其價夸克 ,例如,質子是由兩個上夸克 與一個下夸克 所組成;上夸克的電荷為+2 ⁄3 ,下夸克的電荷為−1 ⁄3 ,所以,質子的電荷為+1。[ 6]
每一個夸克都帶有色荷 ,這色荷可以為紅色,綠色或藍色,而強子的色荷 必需為零,即強子的顏色必需為「無色」或「白色」,這是因為一種稱為夸克禁閉 的物理現象。最簡單達成這目標的方法有兩種:
組成重子的三個夸克必須帶有不同的色荷。
組成介子的一個夸克與一個反夸克必須帶有相反的顏色,例如,假若夸克帶有紅色,則反夸克必須帶有反紅色。
更進一步分析,強子並不只是由兩個或三個夸克組成,這是因為強相互作用的能量,即傳遞強相互作用的膠子可能會擁有足夠能量
E
{\displaystyle E}
來產生共振,而這共振是由帶質量夸克所組成的:
E
>
m
c
2
{\displaystyle E>mc^{2}}
;
其中,
m
{\displaystyle m}
是夸克的質量。
因此,數量比率為1:1的虛夸克與虛反夸克,形成了大多數帶質量粒子在強子內部。兩個或三個價夸克是額外多餘部分。由於虛夸克不是穩定的波包(量子),而是非規律的暫時性現象,辨識哪個夸克是實夸克,哪個夸克是虛夸克,這動作並不具有實際意義,只有額外多餘部分才可從外部觀察得到。
如同所有亞原子粒子 ,每個強子都被分派一個量子數 對應於龐加萊群 的表示 :JPC (m);其中,J是自旋 量子數,P是內秉宇稱 ,C是正反共軛 (電荷共軛),m是粒子質量。注意到強子的大部分質量不是由價夸克所貢獻,而是因為質能等價 ,大部分質量是從強相對作用的能量所貢獻的。強子也帶有味量子數 ,例如,同位旋 、奇異數 、頂數 、底數 、粲數 等等。所有夸克都帶有一種加性的守恆量子數,稱為重子數 B;夸克的重子數為+1 ⁄3 ,反夸克的重子數為−1 ⁄3 ,因此,重子的重子數為1,介子的重子數為0。
強子的激發態稱為「共振」;每一個基態強子都可能對應於幾個激發態。在粒子物理實驗裏,可能會觀察到幾百個共振;通過強相對作用,它們很快地會衰變,大約在10−24 秒內。[ 7] :313-317
在某些相態 裏,強子可能會消逝無蹤,例如,在非常高溫與高壓狀況,除非有足夠多風味 的夸克,量子色動力學 的理論預測,夸克與膠子會逃出強子的禁閉,因為能量越高,強相對作用的耦合 越弱,這性質稱為漸近自由 ,已被實驗證實在1 GeV 與1 TeV 能量區間成立。[ 8]
重子
由輕夸克(上夸克、下夸克和奇夸克)中任意三个夸克组成的自旋1 ⁄2 重子,这八种最輕的重子形成为輕夸克的重子八重組 。
重子是由三個夸克組成,是自旋為1 ⁄2 費米子。每一個夸克的重子數為1 ⁄3 ,所以,重子的重子數為1。最為人知的重子是質子與中子。
物理學者假設,除了三個夸克以外,還擁有一對夸克與反夸克的奇異重子存在。這種重子稱為五夸克 ,處於五夸克態 。2000年代曾提出幾個候選五夸克,但是更深入研究發現它們並不存在。這結果不排除未來可能找到五夸克的可能性,只是排除了這些候選五夸克。[ 9] [ 10]
每一種重子都有其對應的反重子,假設將重子裏的每一個夸克用其反夸克取代,則可得到這反重子。例如,質子是由兩個上夸克與一個下夸克組成,它的反粒子是反質子,是由兩個反上夸克 與一個反下夸克 組成。
介子
由輕夸克(上夸克、下夸克和奇夸克)中任意一个夸克與任意一個反夸克组成的自旋0介子,这九种最輕的介子形成为輕夸克的介子九重組 。
介子是由夸克-反夸克對組成的強子。介子是自旋為整數的玻色子,擁有偶數個夸克。介子的重子數為零。在粒子物理學實驗裏常見的介子有 π 介子、 K 介子等等。在原子核裏, K 介子通過核力 也扮演了捆綁核子 的角色。
原則而言,幾個夸克-反夸克對組成的介子可能存在。由兩對組成的假想介子稱為四夸克 ,處於四夸克態 。2000年代曾提出幾個候選四夸克,但是它們是否存在仍極具爭議。[ 11] 另外,還有一些假想的奇異介子 是在夸克模型 的分類以外,這包括膠球 與混介子 (被激發態膠子綑綁組成的介子)
参阅
參考文獻