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比较典型的实验方法有深度非弹性散射(DIS,deepInelasticscattering),简单地说就是用高能电子轰击质子,把电子打入质子内部,通过对末态粒子的分析来反推质子内部结构。
图11:电子-质子深度非弹性散射
上图中,K是入射电子,K^,是末态电子,p为被轰击的质子,X表示末态粒子集合。电子与质子的相互作用通过交换一个中间粒子——光子q来产生
实验发现,质子内有无数点电荷,且基本上是自由运动的。电子-质子深度非弹性散射实验显示出核子的结构函数具有无标度现象。这是质子(或者说核子)具有结构的重要信息。这些实验激发了当时的理论学家对于核子结构的热烈讨论,其中1969年费曼提出了著名的「部分子模型」是最富有成效的。
图12:费曼(RichardPhilipsFeynman,1918-1988)
「部分子模型」认为,一个接近光速运动的核子,可以看作是由一束高速运动的自由点粒子,即部分子所构成,电子与质子之间的高能反应是通过与这些部分子之间的相互作用而发生的。
强子内部分子的性质由部分子分布函数(partondistributionfunction,PDF)来描述。PDF直观地定义为强子内携带动量分数x的某类部分子的数密度。
深度非弹性实验有三个重要的发现,通过与理论模型的对比,可以得出关于质子的重要结论:
在当时实验的分别率下,构成质子的粒子表现为点粒子
构成质子的点粒子是自旋为1/2的费米子
构成质子的点粒子带分数电荷
综合这3个实验发现得到质子结构的清晰图像:
质子是由自旋为1/2、带分数电荷的更微小的点粒子构成。
7、部分子模型与夸克模型的统一
电子-核子深度非弹性散射实验显示核子是由自旋为1/2的费米子组成的,而在夸克模型中所有强子包括核子在内都是由夸克构成的,那么实验上看到的部分子就是夸克模型中的夸克吗?这两种模型具有什么样的关系呢?
实际上,部分子模型和夸克模型是一致的。我们可以将部分子等同于夸克,这样的核子模型成