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6 章 (第1/2页)

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颜色。而原子核内的核力是核子内夸克之间强相互作用力的剩余效应。

9、质子内部结构是什么样的呢?

现在我们知道,质子(或者中子)内部有夸克(包括价夸克和海夸克),还有胶子。那么这些成分的比例是多少?有什么变化吗?

对于这个问题的回答,下面一张图就足够了:

图14:质子中各成分占得比重

这张图来自于实验与理论。怎么理解呢?

为了非专业人士也能理解,下面用不是很严谨的语言来通俗的描述——

图的横坐标为能量,纵坐标为相应成分占的比重。xu_v为u价夸克,xd_v为d价夸克xg为胶子(图中已经缩放了20倍),xS为s海夸克(图中已经缩放了20倍)。

当x很大,接近于1时,胶子和海夸克的比重小于u夸克和d夸克,且迅速趋向于零。此时,质子内的主要成分为u和d的价夸克。

而且图上可以看出,u夸克的比重是d夸克的两倍左右,这与夸克模型中质子由uud组成一致。

由于量子场论真空激发的基本性质,当时空分辨率足够高时,人们可以「看到」真空激发产生的海夸克、反夸克和胶子,此时质子不再是单纯地由3个夸克构成,而是由3个价夸克与无穷多海夸克、反夸克和胶子构成,而且这些真空激发产生的粒子的数目随着时空分辨率的提高而增加。

在研究质子的整体静态性质时,海夸克、反夸克和胶子的物理效应不明显;但在高能反应过程中,由于相对论时间延缓效应,它们在高速运动的质子内存在的时间延长,在某些运动学区域内甚至起到主导作用。

图15:图中的uud为价夸克,其它夸克为海夸克,为正反夸克,总是成对出现。夸克之间的线表示胶子,提供夸克之间的相互作用

不过需要注意的是,量子色动力学这个理论比较奇怪,当能量很高时,从数学上(使用微扰论)很容易求解夸克和胶子的运动行为,但是在低能时(也就是非微扰区),方程的求解异常困难,以至于到目前为止也无法完整求出夸克和胶子的行为,这也包含了低能下质子和中子的性质。

10、总结

最后做个总结,正如开头说的那样,对于质子中子内部结构的探索,几乎就是一整部粒子物理发展的历史。从原子核的发现,到夸克和胶子的确认,从汤川的核力,再到后来的量子色动力学,每一步都是有理有据。而我们对微观粒子的

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