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强核力到底有多强?说了也许你不信,宇宙中没有任何力能超过它

天体物理 | 感谢小苗搞笑段投递 2021-07-17 175

现代粒子物理学告诉我们,所有物质都是由最基本的亚原子粒子构成,这种最基本的亚原子粒子就是夸克,夸克构成了质子和中子,而质子和中子又进一步构成了原子核。在原子核中,夸克都是成组出现的,每三个夸克的组合通过载力子胶子而紧紧地、强有力地束缚在一起,所以由夸克组合构成的粒子又被称为“强子”。

20世纪60年代,物理学家默里·盖尔曼提出:许多强子并非基本粒子,它们本身是由被称作“夸克”的粒子构成的。盖尔曼所用的“夸克”一词,来自于小说《芬尼根的守灵夜》中的诗句,它其实和物理学里的最基本粒子毫不相干。盖尔曼提出存在三种夸克,现在被称为上夸克、下夸克和奇夸克,后来都得到了证实,盖尔曼也因此获得了1969年的诺贝尔物理学奖。

我们知道,人类根本无法感知到亚原子粒子的存在,那么像夸克这种东西,我们应该怎样理解它,或者在大脑中构建夸克的具体形象呢?科学家们打了一个比方,三个夸克的组合可以被看作一个大的、糊状质子里的坚硬的一点——它嵌在质子或中子里,就像一粒豌豆藏在一大堆棉花团中,两个上夸克和一个下夸克构成了质子的核心,一个上夸克和两个下夸克构成了中子的核心。

夸克有一个奇特的特性,那就是夸克从不会单独出现,在一个没有受外力干扰的系统里,三个夸克总是被紧紧地束缚在一起而难以分离。这也就意味着,夸克不可能像有些粒子那样可以不受约束地闲逛,因此对它们的研究也就十分困难,只有在粒子加速器中对它们施加强大的能量,才能间接地发现它们真实存在的实验证据。最早发现夸克的实验是在美国斯坦福线形加速器中心(SLAC)进行的,实验名称叫“弗里德曼-肯德尔-泰勒深度非弹性散射实验”,弗里德曼、肯德尔和泰勒因此共同获得了1990年的诺贝尔物理学奖。

在粒子加速器里,高能量碰撞使得夸克没有被束缚而形成强子,但这并不意味着夸克是独立的。事实上,它们总会有其他夸克和胶子的陪伴,它们从不会是自由的、没有“随从”的单个粒子,强力会一直紧紧跟随在它的周围。因此,粒子加速器实验捕捉到的夸克绝不会是一个独立的夸克,而是一系列由夸克、胶子组成的,差不多向同一方向运动的粒子流。

这一束朝着同一个方向运动的、由夸克和胶子组成的粒子流被称为“喷射流”。一个高能的喷射流一旦形成,就会像一根绳子一样——当你截断一根绳子,你并不会让绳子消失,而是会得到两根绳子。同样地,当你将喷射流断开时,这些喷射流的片段又会形成新的喷射流,你永远也不可能将之分为单个的、独立的夸克和胶子。这实际上正是强相互作用的表现,我们也由此可见,强力——这种在物理学上最后被发现的作用力,它的力量真的太过强大了。


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