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基本粒子18｜夸克是怎样被发现的？

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科技
3年前
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今天我们终于进入了最关键的内容，强子的内部结构是怎样的？你看，在前面的文章中，我就已经介绍了自旋是1/2的八种重子，包括质子、中子、Σ+、Σ0、Σ-、Λ和Ξ0、Ξ-。

还有自旋为3/2的九种重子，包括：Δ++、Δ+、Δ0、Δ-，以及Σ*-、Σ*0和Σ*+、还有Ξ*-和Ξ*0。

这面这些都是重子，还有7个自旋为0的介子，包括：π+、π0、π-，以及K0、K+、K-、反K0，这是7种。

还有9种自旋为1的介子，包括ρ+、ρ0、ρ-，以及K*0、K*+、K*-、K*0，还有ω和Φ。这就是我们前面介绍的所有的粒子，它们都是强子。

都参与强相互作用，这么多的粒子，所以科学家就开始想，这些粒子有没有内部结构呀，总觉得它们不可能都是基本粒子，因为这些粒子不仅数量多，而且很乱，仅仅从对称、以及美学的角度来说，这些粒子肯定是有几种基本粒子构成。

其实最早思考强子内部结构的时间可以追溯到40年代，那个时候我们只知道有五种强子：质子中子，π+、π0和π-，当时杨振宁先生在芝加哥大学是费米的学生，他俩就合作写了一篇论文，提出了费米-杨模型，认为质子和中子是基本粒子，其他的三个π介子是由质子和中子构成的，比如π+是由一个质子和一个反中子构成的，π-是由一个中子和一个反质子构成的；

虽然这个模型是错的，但是在当时这个模型看起来没有问题，你看，你可以随便用我们之前说的那些量子数去检验它，比如质子的重子数是1，反中子的是-1，结合起来的重子数是0，那π+介子的重子数就是0，还有电荷、同位旋这些量子数都是吻合的。

直到我们发现了Σ+、Σ0、Σ-、Λ和Ξ0、Ξ-，以及K0、K+、K-、反K0，这几种强子以后，我们才发现费米-杨模型并不正确，因为这几种新粒子都有一个新的量子数叫奇异数，而质子和中子没有奇异数，所以就不能构成这些奇异粒子了。

那到了1955年的时候，日本的坂田昌一就觉得，那既然需要奇异数，那就把其中的一个奇异粒子当作基本粒子就可以了，所以坂田就说质子、中子和Λ是基本粒子，是它们构成了所有已知的强子。

坂田模型，不仅可以解释K0、K+、K-和反K0，以及π+、π0、π-，这些介子所具有的量子数，比如K+是由质子和反Λ构成的，其中的电荷、重子数、同位旋、奇异数，这些量子数都没有问题。

而且在坂田的模型中，根据质子、中子和Λ的组合方式，还预言了新的介子：η，结果发现这种新粒子还真的存在，这意味我们现在就有了八种自旋为0的介子，由于自旋是0，我们也把它们称为赝标介子。

但可惜的是，坂田的模型无法解释Σ+、Σ0、Σ-和Ξ0、Ξ-，这几种重子的量子数，这说明，坂田的模型也是错误的。

可以看出，不管是费米-杨模型，还是坂田模型，都是想用几种基本粒子的量子数，去构成其他粒子的量子数。

因此物理学家盖尔曼就觉得，我们先不要考虑这个基本粒子到底是啥，先把已有的强子所具有的量子数进行分类，看下它们之间到底有啥关系。

根据以上的思想，盖尔曼就以I₃为横坐标，Y为纵坐标，画了一个Y-I₃，看过前面的文章，你应该知道，这Y就是超荷，等于S+B，I₃是在强相互作用中一个非常重要的量子数，它是同位旋第三分量上投影的取值。

好，那我们就先把八种赝标介子放到Y-I₃图当中，就是我们现在看到的样子，这就是赝标介子八重态，那我们把矢量介子也放到Y-I₃图当中，就是这样的。

这叫矢量介子八重态，我们还有8个重子质子、中子、Σ+、Σ0、Σ-、Λ和Ξ0、Ξ-，同样的把它们也放到Y-I₃图当中，是这样的。

这叫重子八重态，可以看出这些强子已经体现出了很好的对称性，之前我们说这些重子有些是同位旋多重态，比如质子和中子就是同位旋二重态，有两种电荷，Σ+、Σ0和Σ-是同位旋的三重态，有三种电荷状态，Ξ0、Ξ-是同位旋二重态，有两种电荷，Λ是同位旋单重态。

但是现在当我们把它们标到Y-I₃图上以后，就发现这八种重子具有更大的对称性，也就是重子八重态。

另外我们还有9种重子，把它们放到Y-I₃图上以后，是这样的。

可以看出，这张图如果缺少了最底下的那个粒子，就会显得不对称，如果加上那个粒子就否成一个重子十重态。

那问题是，最底下的这个粒子存在不存在，如果存在它的量子数都是多少？这个很简单，从上图中我们可以发现一些规律，从上到下每一行的Y数都会递减一个，这说明位置粒子的Y=-2、同时我们就能算出它的S=-3，我们还可以看出Δ++、Σ+、Ξ0，这条斜边的电荷是递减的，所以我们推测这个未知粒子的电荷数Q=-1，同时我们也能算出它的自旋是3/2，我们把这个新粒子称为Ω-。

神奇吧，曾经的元素周期表把化学元素安排的明明白白的，同时也预言了新的元素，现在盖尔曼用Y-I₃图把强子安排的明明白白，也能预言新粒子。

那为了更快地找到Ω-就需要先知道它的质量大概是多少，我们才能知道产生它需要多少能量，那么在重子八重态，以及十重态当中，这些粒子的质量也具有一定的关系，那盖尔曼就根据其他重子的质量算出了Ω-的质量大约为1683Mev。

到了1964年的时候，美国布鲁克海文实验室，通过K-与质子的碰撞，就在气泡室中找到了Ω-的身影，测量出来的Ω-的质量是1672Mev，寿命为0.821×10^-10秒，可以看出这个粒子的衰变是由弱力控制的，那Ω-的发现也就验证了盖尔曼的理论，他也因此获得了1969年的诺奖。

不过到这里还没有结束，因为我们还没有揭开强子的内部结构，不过盖尔曼对强子的分类已经让杂乱无章的粒子变得规整了起来，我们只需要在理论上假设几种新粒子，这些新粒子可以解释所有强子的量子数就可以了。

那盖尔曼就把坂田模型进行了改造，依然是三个基本粒子，但是它们不再是质子、中子和Λ粒子了，因为这三种粒子的量子数，无法构成其他重子的量子数。

所以盖尔曼就假设有三个基本粒子上夸克、下夸克、奇夸克，记为u、d、s，它们的重子数是1/3，自旋是1/2，电荷分别是2/3、-1/3、-1/3，奇异数是0、0、1。

这三种基本粒子也有反粒子，反上夸克、反下夸克、以及反奇夸克，只要这六种夸克具有以上的一些量子数，它们就可以组成目前所知所有的强子了。这也是为啥我一直在强调量子数，因为这夸克模型完全就是由量子数凑出来的。

其中介子是由一个夸克和一个反夸克组成的，其中的重子都是由三个夸克组成的，这就是1964年，由盖尔曼和茨威格分别提出的夸克模型。

这个模型一提出来，当时很多人并不接受，因为它里面有一个奇怪的分数电荷，根据以往的经验，电子这种基本粒子所携带的电荷就是电荷的基本单位，但是现在盖尔曼却提出了一个分数电荷，所以让人觉得很奇怪。

所以在很长一段时间内人们都在寻找夸克的身影，最后都是一无所获，不过还是有几个不是特别直接的证据显示，夸克真实存在，比如在1968年的SLAC中，实验人员用高能电子轰击质子，发现了电子有大角度的偏转，这表明电子撞到质子中的某种小的东西，这个实验就类似于卢瑟福的α粒子的实验，只能说明夸克可能存在，但这并不能确切的说明这就是夸克。

还有我们在以后的高能散射实验中，以及在密里根的油滴实验中也没有发现具有分数电荷的实例，所以人们就想如果夸克真的存在，为什么我们找不到自由夸克？这个问题，我们在讲到强力的时候在回答。下节课，我们其他夸克的发现。