化学

质子和中子是由什么构成的?

质子、中子里有些什么 　　　　　　　　沈建其 　　　　盖尔曼 　　(浙江近代物理中心及浙江大学物理系，杭州 310027) 　　对强子结构和标准模型研究的一再成功已表明夸克和色场是 强子世界的最基本组成部分。 尽管如此，强子物理还存在一些悬 而未决的困难，如夸克幽禁、质子自旋危机、质子衰变等。 　　一、 质子、中子不是点状粒子 　　对于物质结构的探索是科学的重要任务，自从有人类出现， 这种探索从来没有停止过。 在19 世纪，人们逐渐弄清楚物质是 由分子原子构成的。1932年查德威克发现了中子，人们认识到原 子核应由质子和中子构成。人们对物质结构的研究就如剥笋一样 层层盘剥下去，每一个层...全部

  质子、中子里有些什么 　　　　　　　　沈建其 　　　　盖尔曼 　　(浙江近代物理中心及浙江大学物理系，杭州 310027) 　　对强子结构和标准模型研究的一再成功已表明夸克和色场是 强子世界的最基本组成部分。
  尽管如此，强子物理还存在一些悬 而未决的困难，如夸克幽禁、质子自旋危机、质子衰变等。 　　一、 质子、中子不是点状粒子 　　对于物质结构的探索是科学的重要任务，自从有人类出现， 这种探索从来没有停止过。
  在19 世纪，人们逐渐弄清楚物质是 由分子原子构成的。1932年查德威克发现了中子，人们认识到原 子核应由质子和中子构成。人们对物质结构的研究就如剥笋一样 层层盘剥下去，每一个层次的发现，都是对物质结构认识的深化。
   在原子核层次下面，质子和中子是否还有其内部结构呢？ 　　质子和中子不是点粒子，它们都具有内部结构。在30年代， 理论物理学家认为作为核子的质子和中子是基本粒子，应该象点 粒子，根据狄拉克的相对论性波动方程，质子的磁矩是一个单位 核磁子，中子由于不带电，因而磁矩是零。
  但出乎意料的是，实 验家斯特恩测得的质子磁矩却为5。6个单位核磁子，中子磁矩也不 是零，而是-3。82个单位核磁子，与点粒子理论相悖。这些都清楚地 说明质子、中子并不是我们想象的那样简单，它们可能是具有内 部结构的。
  60年代，霍夫斯塔特等人用高能电子轰击核子，证明 核子电荷呈弥散分布，核子的确具有内部结构[1]。既然核子并 不是点粒子，那么其内部的物质是怎样分布的呢？也许有三种情 形：或者核子内有一个硬核，核子象一枚桃子；或有许多颗粒， 象石榴一样有许多子；或没有颗粒，疏松如棉絮状。
  具体属哪一 种情形，要靠深度非弹性散射实验来作进一步决定。 　　深度非弹性散射实验指用极高能电子去撞击质子或中子，使 后者激发到一个个分立的能级即共振态，甚至达到使π介子离化 出来的连续激发态。
  非弹性散射实验会改变质子、中子的静止质 量。实验表明，质子、中子内部有一个个点状的准自由的粒子， 它们携带有一定动量和角动量。那么质子、中子内的这些点状粒 子是什么呢？具有些什么性质？ 　　二、 夸克模型 　　1964年，美国科学家盖尔曼（见右上图）提出了关于强子结 构的夸克模型。
  强子是粒子分类系统的一个概念，质子、中子都 属于强子这一类。“夸克”一词原指一种德国奶酪或海鸥的叫声。 盖尔曼当初提出这个模型时，并不企求能被物理学家承认，因而 它就用了这个幽默的词 。
  夸克也是一种费米子，即有自旋1/2 。 因为质子中子的自旋为1/2，那么三个夸克，如果两个自旋向上， 一个自旋向下，就可以组成自旋为1/2的质子、中子。两个正反 夸克可以组成自旋为整数的粒子，它们称为介子，如π介子、 J/ψ子，后者由丁肇中等人于1974年发现，它实际上是由粲夸克 和反粲夸克组成的夸克对。
  凡是由三个夸克组成的粒子称为重子， 重子和介子统称强子，因为它们都参与强相互作用，故有此名。 原子核中质子间的电斥力十分强，可是原子核照样能够稳定存在， 就是由于强相互作用力（核力）将核子们束缚住的。
  由夸克模型， 夸克是带分数电荷的，每个夸克带+2/3e或-1/3e电荷（e为质子 电荷单位）。现代粒子物理学认为，夸克共有6种（味道），分 别称为上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克、底夸克，它 们组成了所有的强子，如一个质子由两个上夸克和一个下夸克组 成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成，则上夸克带 +2/3e电荷，下夸克带-1/3e电荷。
  上、下夸克的质量略微不同。 中子的质量比质子的质量略大一点点，过去认为可能是由于中子、 质子的带电量不同造成的，现在看来，这应归于下夸克质量比上 夸克质量略大一点点。 　　　　　　　　 　 质子和中子的组成：一个质子由两个上夸克和一个下夸克 组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成 　　虽然夸克模型当时取得了许多成功，但也遇到了一些麻烦， 如重子的夸克结构理论认为，象Ω-和Δ++这样的重子可以由三个 相同夸克组成，且都处于基态，自旋方向相同，这种在同一能级 上存在有三个全同粒子的现象是违反泡利不相容原理的。
  泡利不 相容原理说的是两个费米子是不能处于相同的状态中的。夸克的 自旋为半整数，是费米子，当然是不能违反泡利原理的。但物理 学家自有办法，你不是说三个夸克全同吗？那我给它们来个编号 或着上“颜色”（红、黄、蓝），那三个夸克不就不全同了，从 而不再违反泡利原理了。
  的确，在1964年，格林伯格引入了夸克 的这一种自由度——“颜色”的概念。当然这里的“颜色”并不 是视觉感受到的颜色，它是一种新引入的自由度的代名词，与电 子带电荷相类似，夸克带颜色荷。
  这样一来，每味夸克就有三种 颜色，夸克的种类一下子由原来的6种扩展到18种，再加上它们 的反粒子，那么自然界一共有36种夸克，它们和轻子（如电子、 μ子、τ子及其相应的中微子）、规范粒子（如光子、三个传递控 制夸克轻子衰变的弱相互作用的中间玻色子、八个传递强（色） 相互作用的胶子）一起组成了大千世界。
  夸克具有颜色自由度的 理论得到了不少实验的支持，在70年代发展成为强相互作用的重 要理论——量子色动力学。 　　三、量子色动力学及其特点 　　“量子色动力学”这一名称听起来有点可怕，念起来有点拗 口，应该这样念：量子/色/动力学。
  这个理论认为，夸克是带有 色荷的，胶子场是夸克间发生相互作用的媒介。这不禁让我们想 起电子是带有电荷的，传递电子间相互作用的媒介是电磁场（光 子场）。的确，关于电荷的动力学我们早已有了，它叫“量子电 动力学”，发展于三四十年代。
  一般读者对电磁相互作用都有点 熟悉，因此就以它为例来理解质子中子内的色相互作用。电磁场 的麦克斯韦方程的量子化就是量子电动力学，具体地说，量子电 动力学就是研究电子和光子的量子碰撞（即散射）的，自然，量 子色动力学是研究夸克和胶子的量子碰撞的。
   　　 胶子是色场的量子，就象光子是电磁场的量子一样。胶子 和光子都是质量为0、自旋为1、传递相互作用的媒介粒子，都属 于规范粒子。两个电子发生相互作用是靠传递一个虚光子而发生 的（虚光子只在相互作用中间过程产生，其能量和动量不成正比， 不能独立存在，在产生后瞬时就湮灭。
  由相对论知道，自由运动 的电子不能发射实光子，但可以发射虚光子。给予我们光明和热 能的是实光子，它的能量和动量成正比，脱离源后，能独立存 在），自然，两个夸克发生相互作用是靠传递一个虚胶子而发生 的。
  虚胶子携带着一个夸克的部分能量和动量，交给另一个夸克， 于是两个夸克就以胶子为纽带发生了相互作用。看到这里，我们 会说，不是重复了一下吗？量子色动力学可以由量子电动力学依 葫芦画瓢建立起来，真是太容易了！不过实际上没有这么简单。
   按群论的语言讲，电磁场是U（1）规范场，是一种阿贝尔规范场， 群元可以交换，而胶子场是SU(3)规范场，是一种非阿贝尔规范 场，群元不可以交换。一般来说，“非”总比“不非”要麻烦得 多。
  电荷只有一种，而色荷却有三种（红、黄、蓝）；U(1)群的 生成元只有一个，就是1，所以光子只有一种，而SU(3)群有八个 生成元，一个生成元对应一种胶子，所以胶子共有八种；光子不 带电荷，而胶子场由于是非阿贝尔规范场，场方程具有非线性项， 体现了胶子的自相互作用，因而胶子也带色荷，夸克发射带色的 胶子，自身改变颜色。
  所以胶子场比电磁场复杂，因而出现了许 多不同寻常的现象和性质，其中最重要的恐怕要数“渐近自由” [2-3]和“夸克幽禁”[4-6]了。 　　“渐近自由”说的是两个夸克之间距离很小时，耦合常数也 会变得很小，以致夸克可以看成是近自由的。
  耦合常数变小是由 于真空的反色屏蔽效应引起的。真空中的夸克会使真空极化（即 它使真空带上颜色），夸克与周围真空的相互作用导致由真空极 化产生的虚胶子和正反虚夸克的极化分布，最终效果使夸克色荷 变大，这称为色的反屏蔽效应（对于电荷，刚好相反，由于真空 极化导致电荷吸引反号电荷的虚粒子，所以总电荷减少，这称为 电的屏蔽效应。
  与它作比较，色的反屏蔽效应这一术语由此而 来）。由于这一效应，在离夸克较小距离上看来，大距离的夸克 比它带的色荷多，所以小距离上强作用相对而言变弱了，这就是 所谓“渐近自由”。渐近自由是量子色动力学的一项重要成果， 它使得高能色动力学可以用微扰理论计算。
  但是在低能情形或者 说大距离情形，由于耦合常数变强及存在幽禁力，计算变得困难。 　　量子色动力学可以预言小距离的“渐近自由”，但是对大距 离的“夸克幽禁”，量子色动力学就无法预言了，这是量子色动 力学的困难。
   　　“夸克幽禁”说的是夸克无法从质子中逃逸出去。红黄蓝三 色夸克组成无色态，强子都是无色的。一旦夸克可以从质子或强 子中跑出来，自然界就会存在带色的粒子;带色的粒子引起真空 的进一步极化，色荷之间的幽禁势是很大的，整个真空都带上了 颜色，能量很高，导致真空爆炸。
  实际这些都没有发生，暗示自 然界不存在游离的夸克，那么我们会问：夸克倒底是一个数学技 巧还是一个物理实在？研究这一问题，是对夸克模型的考验。不 过，现在因为已有了夸克存在的间接证据，物理学家相信夸克是 应该的确存在的。
  夸克为什么要被幽禁起来，物理学家已提出了 几个理论。有人提出口袋模型，如认为质子是一只受真空挤压的 口袋，可将夸克束缚住而逃不出来[7-9]；有人提出了弦理论， 认为夸克绑在弦的两端，而这条弦却难以断裂，即使一旦断裂， 断裂处生成一对正反夸克，原来的强子碎裂为两个新的强子，从 而自由的夸克从来不可能出现[10]；也有人说，既然胶子带色荷， 胶子之间也会有色磁吸引力，从而色力线被拉紧呈平行状，就如 一个带电电容器两板因为有平行的电力线因而彼此有吸引一样， 夸克之间也有类似这种吸引力；格点规范理论的面积定律证明夸 克之间有线性禁闭势存在[11]；90年代中期塞伯和威滕用他们发 展的四维空间量子场论证明磁单极凝聚也会导致夸克幽禁[11]。
   关于夸克幽禁的理论有许多，正好说明了我们对强力的了解还不 够充分。 　　四、 核子结构图象与核子衰变 　　对介子谱的研究表明，夸克之间除了由于单胶子交换引起的 色库仑力外，还有色禁闭力，其势是随距离线性增长的，正如上 面所说，虽然不清楚线性禁闭势的来源，但可以认为正是这个势 导致了夸克幽禁。
  但是这一观点也许要受到挑战。因为用相对论 性波动方程解介子能谱，发现在无穷远处波函数并不收敛至零， 而是一个散射解。这意味着我们应探测到游离的夸克，但实际并 不如此。那这些散射解是怎么产生的呢？原来禁闭势在无穷远处 十分巨大，以致扰动真空导致正反夸克产生。
  实际没有测到这些 产生的夸克，一个原因可能是大距离时夸克的质量也会变得十分 巨大，远远超过了线性势，抑制了真空扰动产生正反夸克的能力。 夸克质量会随距离增大而增大，可能可以用真空色电极化（导致 真空带上颜色）来解释。
  真空色电极化使得色荷象滚雪球一样越 来越大，夸克能量和质量也相应越来越大，浸在真空中的单一夸 克质量巨大，真空没有足够的能量产生这些夸克，也许这最终导 致了夸克幽禁。 　　对于强子结构，现在对不同的能态用不同的理论模型来描述。
   基态质子和中子，可以用量子力学的薛定谔方程求解，强子质量 主要由夸克承担；对于处于激发态的共振粒子，弦模型比较成功， 该模型认为重子和介子的质量和自旋主要由弦（色力线管）提供 [10]；对于更高能的强子激发态，由于真空色电极化十分强大， 因而强子质量主要就是色电极化质量，夸克的质量和弦的质量十 分微小。
  现在对处于不同能态的质子、中子结构还无法用一个统 一的理论来描述。 　　上面讨论的是质子中子及其共振态的静态性质，下面谈一下 它们的衰变问题。原子核内的质子中子是稳定的，但自由的中子 是不稳定的，寿命约为11分钟。
  中子的质量比质子略大一些，因 而可以有足够的能量衰变为质子，并放出一个电子和一个电子型 反中微子。在夸克水平上解释这一过程，实际上就是：中子内的 一个下夸克（带-1/3e电荷）放出一个传递弱相互作用的中间玻色 子W- ，自身变成上夸克（带+2/3e电荷），W-又衰变为一个电子 和一个电子型反中微子。
  由于质子中子的重子数都为+1，轻子数 为0，电子和电子型中微子的重子数为0，轻子数分别为+1和-1， 所以这一过程重子数、轻子数都守恒。现在的粒子物理标准模型 （量子电动力学、弱电统一理论[12]、量子色动力学）认为重子 数是守恒的，质子已是最轻的重子，所以它不能再衰变为其他重 子，它是永恒的。
  由于人们面遇的物质世界主要就是由重子组成 的，所以很容易相信质子是永恒的。但是有一种理论却预言这种 观念是不对的，质子会衰变成正电子和中性π介子，重子数和轻 子数并不绝对守恒。这种理论是大统一理论[13-17]，它企图把 强、弱、电相互作用统一起来，用一个耦合常数来描写。
  大统一 理论包含着标准模型，但比标准模型来得更大，因而有更多的传 递相互作用的规范玻色子。虽然这些规范玻色子是一种超弱场的 量子，但质子中的下夸克却会释放这种规范玻色子，自身变成正 电子，而质子内的一个上夸克吸收这个规范玻色子，变成上夸克 的反粒子（反上夸克），这个反上夸克与质子内的另一个上夸克 结合成中性π介子。
  由于引起这种夸克—轻子转化的场十分弱， 所以质子虽然要衰变，但衰变寿命是很长的，大约为一千万亿亿 亿年，而我们的宇宙寿命也只有几百亿年，所以质子平均寿命比 宇宙寿命长十万亿亿倍。在你一生当中，你体内的质子只能衰变 零点几个，不必担心质子衰变会给我们的生活带来什么不便。
  质 子衰变还只是一个理论预言，实验的证明还没有完全结束[16]。 　　前面提到，质子中的点粒子是夸克，实际上它们还包括胶子 和不断产生、湮灭的海夸克。过去认为质子自旋为1/2，是由三个 夸克提供的，而如今的研究却不能支持这一观点，质子中的三个 夸克的总角动量只占质子自旋的15%，而大部分自旋也许由胶子 和海夸克承担。
  这被称为“质子自旋危机”，是个热门课题。 　　五、 简短总结 　　虽然胶子的存在证据也有了，顶夸克存在的证据也在1995年 找到了，但是对于强子结构的研究和自由夸克的探索还需走更长 远的路。
  夸克幽禁的根本原因倒底是线性禁闭势的存在还是色电 极化所致，夸克幽禁是暂时的还是永久的，值得继续研究。如果 夸克是永久性禁闭的，强子永远是无色的，正应了一句话：“色 即空，空即色。”孰是孰非，有待高能物理及其理论的继续发展。
  收起