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强子

複合粒子

强子（英语：hadron）是粒子物理学中一种由夸克或反夸克通过强作用力捆绑在一起的复合粒子。

强子
组成强子的夸克可能带有的色荷
组成复合粒子
系费米-狄拉克
玻色-爱因斯坦
基本相互作用强作用力
色荷无色（白色）

强子主要分为以下两大类：

  • 重子：由三个夸克或三个反夸克组成，自旋总是半整数；也就是说，它们是费米子。例如，组成原子核的质子和中子都是重子。
  • 介子：由一个夸克和一个反夸克组成，自旋是整数；也就是说，它们是玻色子。例如，
    π
    介子可以是
    π0
    、
    π+
    、
    π−
    ，每一种都分别带有不同的电荷。
    π0
    介子是由u夸克与反u夸克组成，或由d夸克与反d夸克组成。
    π+
    介子是由u夸克与反d夸克组成。
    π−
    介子是由d夸克与反u夸克组成。

另外，还有一些比较稀有的奇异强子：

  • Z(4430)（英语：Z(4430)）：由Belle实验发现的一种介子共振，质量为4430 MeV。这个粒子内含的夸克为
    c
    c
    d
    u
         ，因此可以候选为由四个夸克组成的四夸克。2014年，大型强子对撞机b夸克（Large Hadron Collider beauty，LHCb）实验团队发现与确认Z(4430)粒子存在。[1]
  • 由四个夸克与一个反夸克组成的五夸克可能会存在，但是至今为止，尚未有实验证据确切地证实存在，不过2015年七月的新数据分析可能证实它的存在。[2][3][4]

在所有强子之中，只有质子是稳定的，束缚于原子核内的中子也是稳定的，其它种类的强子在普通状况都是不稳定的。自由中子会进行衰变，半衰期约为880秒。在实验方面，强子物理学研究通常会将质子或像铅一类的重元素原子核碰撞在一起，然后分析产生的粒子射丛。

词源

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在1962年国际高能物理大会的全体会议里，列夫‧奥肯发表演讲提议创建术语“hadron”，[5]

尽管这篇报告论述的是弱相互作用，我们会时常谈到感受强相互作用的粒子。这些粒子不只给出很多科学问题，它们也造成了一个术语问题。重点是“感受强相互作用的粒子”是一个很笨拙的术语，它并没有使自己形成一个形容词。因此，例如，衰变为感受强相互作用的粒子被称为“非轻子的行为”。这定义并不精确，因为“非轻子的行为”可能指称的是“光子的行为”。在这篇报告里，我将称呼“感受强相互作用的粒子”为强子，其对应衰变为强子的行为（希腊语“ἁδρός”表示为“大”、“重”的意思，而“λεπτός”表示为“小”、“轻”的意思）。我希望这术语会在未来被证明使用很方便。 — 列夫‧奥肯，1962年

性质

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每一种强子的总色荷为零。例如，一个介子的绿色与品红色（反绿色）箭矢相互抵销成为白色；一个重子的红色、绿色、蓝色箭矢相互抵销成为白色；一个反重子的黄色（反蓝色）、品红色（反绿色）、青色（反红色）箭矢相互抵销成为白色。

根据夸克模型，强子的性质主要是决定于其价夸克，例如，质子是由两个u夸克与一个d夸克所组成；u夸克的电荷为+2⁄3，d夸克的电荷为−1⁄3，所以，质子的电荷为+1。[6]

每一个夸克都带有色荷，这色荷可以为红色，绿色或蓝色，而强子的色荷必需为零，即强子的颜色必需为“无色”或“白色”，这是因为一种称为夸克禁闭的物理现象。最简单达成这目标的方法有两种：

  • 组成重子的三个夸克必须带有不同的色荷。
  • 组成介子的一个夸克与一个反夸克必须带有相反的颜色，例如，假若夸克带有红色，则反夸克必须带有反红色。

更进一步分析，强子并不只是由两个或三个夸克组成，这是因为强相互作用的能量，即传递强相互作用的胶子可能会拥有足够能量 来产生共振，而这共振是由带质量夸克所组成的：

 ；

其中， 是夸克的质量。

因此，数量比率为1:1的虚夸克与虚反夸克，形成了大多数带质量粒子在强子内部。两个或三个价夸克是额外多余部分。由于虚夸克不是稳定的波包（量子），而是非规律的暂时性现象，辨识哪个夸克是实夸克，哪个夸克是虚夸克，这动作并不具有实际意义，只有额外多余部分才可从外部观察得到。

如同所有亚原子粒子，每个强子都被分派一个量子数对应于庞加莱群的表示：JPC(m)；其中，J是自旋量子数，P是内秉宇称，C是正反共轭（电荷共轭），m是粒子质量。注意到强子的大部分质量不是由价夸克所贡献，而是因为质能等价，大部分质量是从强相对作用的能量所贡献的。强子也带有味量子数，例如，同位旋、奇异数、顶数、底数、粲数等等。所有夸克都带有一种加性的守恒量子数，称为重子数B；夸克的重子数为+1⁄3，反夸克的重子数为−1⁄3，因此，重子的重子数为1，介子的重子数为0。

强子的激发态称为“共振”；每一个基态强子都可能对应于几个激发态。在粒子物理实验里，可能会观察到几百个共振；通过强相对作用，它们很快地会衰变，大约在10−24秒内。[7]:313-317

在某些相态里，强子可能会消逝无踪，例如，在非常高温与高压状况，除非有足够多风味的夸克，量子色动力学的理论预测，夸克与胶子会逃出强子的禁闭，因为能量越高，强相对作用的耦合越弱，这性质称为渐近自由，已被实验证实在1 GeV与1 TeV能量区间成立。[8]

重子

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由轻夸克（u夸克、d夸克和s夸克）中任意三个夸克组成的自旋1⁄2重子，这八种最轻的重子形成为轻夸克的重子八重组。
主条目：重子

重子是由三个夸克组成，是自旋为1⁄2费米子。每一个夸克的重子数为1⁄3，所以，重子的重子数为1。最为人知的重子是质子与中子。

物理学者假设，除了三个夸克以外，还拥有一对夸克与反夸克的奇异重子存在。这种重子称为五夸克，处于五夸克态。2000年代曾提出几个候选五夸克，但是更深入研究发现它们并不存在。这结果不排除未来可能找到五夸克的可能性，只是排除了这些候选五夸克。[9][10]

每一种重子都有其对应的反重子，假设将重子里的每一个夸克用其反夸克取代，则可得到这反重子。例如，质子是由两个u夸克与一个d夸克组成，它的反粒子是反质子，是由两个反u夸克与一个反d夸克组成。

介子

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由轻夸克（u夸克、d夸克和s夸克）中任意一个夸克与任意一个反夸克组成的自旋0介子，这九种最轻的介子形成为轻夸克的介子九重组。
主条目：介子

介子是由夸克-反夸克对组成的强子。介子是自旋为整数的玻色子，拥有偶数个夸克。介子的重子数为零。在粒子物理学实验里常见的介子有
π
介子、
K
介子等等。在原子核里，
K
介子通过核力也扮演了捆绑核子的角色。

原则而言，几个夸克-反夸克对组成的介子可能存在。由两对组成的假想介子称为四夸克，处于四夸克态。2000年代曾提出几个候选四夸克，但是它们是否存在仍极具争议。[11]另外，还有一些假想的奇异介子是在夸克模型的分类以外，这包括胶球与混介子（英语：hybrid meson）（被激发态胶子捆绑组成的介子）

参阅

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参考文献

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  1. ^ LHCb collaboration (2014): Observation of the resonant character of the Z(4430)– state （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  2. ^ W.-M. Yao et al. (2006): Particle listings – Θ+ （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  3. ^ C. Amsler et al. (2008): Pentaquarks （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  4. ^ R. Aaij et al (LHCb collaboration). Observation of J/ψp resonances consistent with pentaquark states in Λ0
    b    →J/ψK−
    p decays    . arXiv. [2015-07-14]. （原始内容存档于2015-07-14）.     
  5. ^ Lev B. Okun. The Theory of Weak Interaction. Proceedings of 1962 International Conference on High-Energy Physics at CERN. Geneva: 845. 1962. Bibcode:1962hep..conf..845O. 
  6. ^ C. Amsler et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics – Quark Model (PDF). Physics Letters B. 2008, 667: 1 [2014-08-06]. Bibcode:2008PhLB..667....1P. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. （原始内容存档 (PDF)于2011-07-30）. 
  7. ^ Mittal. Introduction To Nuclear And Particle Physics. PHI Learning Pvt. Ltd. 2009. ISBN 978-81-203-3610-0. 
  8. ^ S. Bethke. Experimental tests of asymptotic freedom. Progress in Particle and Nuclear Physics. 2007, 58 (2): 351. Bibcode:2007PrPNP..58..351B. arXiv:hep-ex/0606035  . doi:10.1016/j.ppnp.2006.06.001. 
  9. ^ S. Kabana. AIP Conference Proceedings. 2005. arXiv:hep-ex/0503020  . 
  10. ^ C. Amsler et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics – Pentaquarks (PDF). Physics Letters B. 2008, 667: 1 [2014-08-03]. Bibcode:2008PhLB..667....1P. doi:10.1016/j.physletb.2008.07.018. （原始内容存档 (PDF)于2017-10-29）. 
  11. ^ Mysterious Subatomic Particle May Represent Exotic New Form of Matter. [2014-08-06]. （原始内容存档于2014-02-28）. 
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