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夸克能单独存在吗?

geralt / CC0

子乾,兴趣使然

先上结论:夸克不能单独存在。这涉及到夸克物质的一个非常重要的性质:夸克禁闭(quark confinment)

1、实验中的夸克禁闭

既然夸克不能单独存在,那么夸克的存在形式是什么样的呢?实际上,夸克主要是成双成三的存在:一个正夸克和一个反夸克构成一个介子,或者三个(反)夸克构成一个重子。重子和介子统称为强子。我们熟知的质子中子就属于重子。质子是由两个上夸克一个下夸克构成的,中子是由一个上夸克和两个下夸克构成的。除此之外,也可能有超过三个夸克构成的强子,即所谓的多夸克态。

既然夸克存在于强子中,那直接把夸克从强子里分离出来不就好了嘛?就好像把电子从原子中分离出来?

想象一下,把介子中的两个夸克分离开来。在这个过程中,需要给系统输入能量。这个可以用引力说明:把地球上的物体和地球分开,需要给这个物体输入能量,比如用火箭,才能把它发射出去。然而对于介子中的夸克,实际发生的情况是,当介子中的两个夸克被扯断时,给系统输入的能量足够能从真空中再激发两个新的夸克,这两个新的夸克会和被分离的两个夸克分别结合,最终就是由一个介子变为两个介子。还是没有单独的夸克被分离出来。实际发生的过程如下图所示:

当然,上面这个过程是一个脑洞示意图,真正的实验是进行粒子对撞实验,比如质子质子对撞,既然要看质子的夸克,把质子撞碎是最直观的办法了。上面提到,质子中有上夸克和下夸克,上夸克的电荷是

倍单位电荷,下夸克是

单位电荷。但是,在对撞实验中,从来也没有在探测器中看到过这种带分数倍电荷的粒子。不仅在对撞实验中,包括宇宙线探测在内的任何高能物理实验都没有直接探测到过和夸克的属性(包括电荷、质量等)相同的粒子。因此,从实验上就可以总结出夸克不能单独存在。

那么强子中的夸克是怎么样的存在形式呢?以质子为例,这个一般是通过电子 - 质子散射实验来确定的。电子的质量是质子质量的

,通过把高能电子打入质子内部,和质子内部的夸克(还有其它成分,即胶子)进行相互作用,通过分析结果反推质子内部结构。

实验发现,在低能下,质子基本上就是由三个夸克构成的,也就是上面说的两个上夸克和一个下夸克,这三个夸克之间有着强烈的相互作用。然而在高能量下,质子内部就变得非常丰富了,不仅有三个夸克,还有大量从真空中激发出来的正反夸克对和胶子,然而奇怪的是,这些夸克胶子之间的相互作用非常的弱,就好像是相互独立的存在。也就是说,高能量下,强子中夸克之间的相互作用非常弱,近似自由存在。

2、理论中的夸克禁闭

那么夸克禁闭能从理论上解释吗?实际上,目前并做不到完全的理论解释,描述强相互作用的理论叫做量子色动力学,原则上,一切有关强相互作用的现象都是可以通过这个理论得到,但是遗憾的是,这个理论非常复杂,尤其是在低能量下,我们还做不到对这个理论进行严格求解。然而,夸克禁闭就是在低能下的一个现象,因此,目前还无法通过量子色动力学直接得到夸克禁闭。但是,通过研究高能下量子色动力学的行为,我们发现了夸克物质在高能下的一个行为,渐进自由,这个现象给出了一个可能解决夸克禁闭问题的可能。

夸克之间的相互作用的强度可以用一个参数(后面用

)来表示,

越大,相互作用越强,反之则越小。研究发现,

会随着能量的变化而变化,实际上,会随着能量的增加而降低,如下图所示

也就是能量越高,夸克之间的相互作用越弱。这个就和上一节电子 - 质子散射的实验结果相符合了。当然,这个结果是在能量比较高的时候得到的,并不适用低能。然而,这样的行为不禁让我们想象,在低能下,夸克之间的相互作用非常之强,强到无法被从强子中单独分出来。

量子色动力学的渐进自由的这个行为是由美国科学家格罗斯(David Jonathan Gross,1941- )、波利茨(Hugh David Politzer,1949- )、威尔茨克(Frank Wilczek,1951- )在 1973 年发现的,也正是因为这个发现,才建立了量子色动力学,他们也因此获得了 2004 年的诺贝尔物理学奖。

当然上面说的这些都比较抽象,那么夸克之间的力能否有更直观的展现呢?对于引力或者电磁力,我们有一个直观的感受,就是它们都是随着距离的增加而减小的而逐渐到零,但是夸克之间的力并没有这么简单。考虑两个非常重的夸克,那么这两个重夸克的势能随着距离的变化如下图所示:

上面夸克之间的势能关系叫做“康奈尔势”。势能对距离的导数即为力,也就是说上图中曲线的斜率对应着力的大小。可以看出,在距离比较小时,夸克之间的相互作用力较大,随着距离增大,斜率降低,即夸克之间的力减小,然而,这个力并没有持续减小,大于一个值时(上图横坐标大约为 0.5 时),斜率不再发生变化,也就是在夸克之间的新引力不再随着距离的增大而减小。因此,如果想把这两个夸克分开,就需要不断的输入能量。

在量子理论中有一个简单的对应:距离和能量成反比,即距离越小,对应的能量越高,距离越大,对应的能量越低。

对应的能量大约为

。为了有个直观的理解,一个电子的质量大约为

,一个质子的质量大约为

定量的来看,当距离

,即横坐标为 3 时,纵坐标也为 3,所以两个夸克之间的势能大约为:

上面提到了,一个 fm 大约 200MeV 能量,而且距离与能量成反比,因此:

再来看,质子的质量大约 900MeV,构成质子的夸克大约就为 300MeV,而在分离夸克的过程中输入的能量已经远远大约夸克的质量了,甚至都大约一个质子的质量了,因此即使从真空中再激发出来一个新的质子也是没问题的。

3、退禁闭相变

那夸克禁闭在任何条件下都存在吗?也不是的,打破夸克禁闭的方法有两个,一个是高温,通过加热真空,输入能量,从而激发大量的正反夸克对,

或者加大物质密度,比如把大量的强子放在一起进行压缩,

不管是哪种方法,最终强子之间的距离都非常小,出现重叠,夸克可以在不同的强子之间穿梭。在足够高温或者高密的情况下,会形成夸克胶子等离子体,这团等离子体就是处于退禁闭的状态,此时,夸克不会被禁闭在某一个特定的强子或者某一个小区域,而是可以在整团等离子体内“自由”运动。这个过程实就叫做“退禁闭相变”,夸克胶子等离子体就处于退禁闭相中。

当然,这并不是说夸克此时可以单独存在,只是禁闭消失了。此时所有的夸克和胶子是作为一个背景存在的,如果把其中一个夸克拿出来,这个夸克依然会和其它夸克结合形成强子。

4、总结一下

到目前为止,不管是实验还是理论,都不支持单独存在的夸克。但是,上面介绍了,还是有办法获得相对自由的夸克的,比如高能下的强子中的夸克,相互作用就非常的弱,以及高温高密下的夸克胶子等离子体。但是不管怎么样,当你试图取出一个单独的夸克时,它总是会先与其它夸克结合,然后再呈现在你面前。

所以你看,夸克虽然从来没有绝对的自由,但是也从不会感到真正的孤独。