强子（粒子物理学中和量子力学的概念）
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更新时间：2023-05-16
强子
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粒子物理学中和量子力学的概念
分类
构成
强子的构成是粒子物理的基本问题之一
在朴素夸克模型中，强子由
（介子）和
（重子）构成。但是这种简单的构成正受到来自实验的严峻挑战。无论是越来越多的无法归类的强子态，还是具有无法为朴素夸克模型所容许量子数的介子的发现，都暗示有超越朴素夸克模型构成的新强子存在。胶球、多夸克态和混杂子是三种可能的新强子构造，它们分别是胶子、多夸克以及夸克与胶子的束缚态。本文将研究这些新强子的性质。首先是所采用的研究方法的介绍，由于我们采用QCD求和规则作为我们的主要理论框架，因此对于瞬子物理我们主要采用一种易于使用到QCD求和规则框架内的半唯象方法，即单瞬子近似。
对于某些特定新强子性质的研究。在考虑了直接的瞬子效应后，我们在QCD求和规则的框架内研究了 胶球的质量问题。结果显示在考虑了瞬子效应后，胶球的质量被大大降低。之后我们考虑瞬子效应在标量胶球衰变中的作用。我们发现由于非微扰效应，标量胶球衰变过程中 对称性是被很好保持的。我们也考虑了标量胶球的四夸克衰变与两夸克衰变宽度之比。与普通介子衰变相比，我们预言标量胶球衰变会有较大的多强子末态分支比。首先构造了两个典型的 分子四夸克态，利用考虑瞬子效应修正后的QCD求和规则研究它们的质量问题。我们发现我们的模型可以在1.4GeV附近容纳两个不同的 四夸克介子。接着构造具有Diquark结构和分子态结构的四夸克态，并研究了它们的衰变方式。在已有的 和 混杂子质量的求和规则中考虑直接的瞬子效应，研究瞬子在其中所起的作用，并给出较稳定的 胶球的质量预言。
1964 年，美国科学家盖尔曼等人提出“夸克模型”。他们认为，所有的强子都是由若干种叫做“夸克”的更深层次的粒子组成。西方人将这些粒子称为“夸克”，中国人则常常又称它们为“层子”。顾名思义，层子是相对电子、质子、中子这些基本粒子来说的，它属于“下一层次的粒子”。盖尔曼等人认为夸克带“分数电荷”，它们被禁闭在强子内部，不能脱离强子自由运动。
夸克是物质分割的极限
因为夸克被禁闭在强子内部，本身也无法直接观察。然而，对大自然的好奇心，促使人们对夸克是否还有“内部结构”这个问题产生浓厚的兴趣。目前的迹象表明，夸克和轻子可能是由某些更为基本的粒子所组成，夸克和轻子之间具有极大的对称性。根据目前的理论，夸克可分为三代，每代有两种（不计反夸克），它们分别是（u,d）、（s, c）和（t,b）。轻子也有三代，每代也有两种。如此多的粒子表明，即便夸克和轻子，也不可能是物质分割的“最小单元”。
但是从1964 年至今，人们还没有“看到”过夸克的真实面目。在盖尔曼提出的夸克理论中，他假设存在三种夸克。他用这三种夸克及它们的反粒子来说明微观粒子构成的模型，取得了很大的成功。但是，由于物理学家至今还不能使夸克脱离其他微观粒子而独立存在，它只能像犯了错误而被关禁闭的士兵那样，被幽禁在微观粒子中。所以，“夸克禁闭”成了当今粒子物理学的难题之一，这对哲学中关于物质无限可分的观点，也是一次严峻的挑战。
近半个世纪以来，物理学家为了寻找自由夸克，绞尽了脑汁。每当一台新的高能加速器建成以后，首要的任务之一就是试图找到夸克。有的物理学家把微观粒子想成一只口袋，夸克永远被裹在这只口袋里——在这口袋的小范围内，它可以自由飞翔，但决不许脱离这个口袋。就是这个神秘的口袋，似乎要把夸克同外界永远隔离开来。也有的物理学家把微观设想成一口半径很小又很深的“井”，夸克过的就是这种“坐‘井’观天”的生活。在“井”里它们都相当自由，运动速度也不快，可就是跑不出去。人们必须提供极大的能量，才能把它从“井”底拉出来。但是目前人们还没有办法产生这么大的能量，使夸克获得“解放”。
既然不能直接找到自由夸克，一些物理学家就改变了策略，企图间接地搜寻它。因为根据理论推测，夸克带有所谓的“分数电荷”，这使物理学家看到了一线希望。他们认为只要找到了“分数电荷”的携带者，那也许它就是夸克的化身了。因此物理学家在粒子加速器、陨石、月球、地下深井和海底等许多地方“张罗织网”，到处寻找具有“分数电荷”的粒子。
目前探测夸克结构和轻子结构的实验都在进行中，但未取得进展。考虑到原子和原子核的线度相差10 万倍，因而可以预言夸克的结构最多只能在10米的尺度上显示出来；但目前的实验只能探测到10米的线度，因而夸克究竟是否有“内部结构”，至今还是一个谜。
层子模型
强子结构的层子模型
是在1965年9月到1966年6月之间完成的。当时的研究背景是这样的：在电子、质子、中子发现之后，人们普遍认为它们是构成物质的终极单元，称之为“基本粒子”。随着介子和超子在20世纪40到50年代的陆续发现，基本粒子的家族迅速扩大，这些粒子绝大部分是强作用粒子，简称强子。很难想像这么多的强子都是基本粒子。1955年日本物理学家坂田提出了一个结构模型：强子中只有质子、中子和超子三种是基础的粒子，由它们构成其他所有的强子。坂田模型存在一系列困难，但是所提出的强子具有内部结构的思想是正确的。1964年美国物理学家盖尔曼改造了坂田模型，提出了“夸克模型”，认为强子是由三种具有SU(3)对称性的组分构成的，他把这些组分称为夸克。
到了1965年，基本粒子表中粒子的数目已经可以与周期表中元素的数目相比，其中重子的自旋可以高达
，并且实验上关于核子的电磁形状因子的测量说明以前被认为是基本粒子的核子具有一定的大小和空间结构。这些事实说明了两点，一是“基本粒子”并不基本，二是强子有着内部结构。坂田模型和夸克模型都是关于强子结构的科学设想，有待于进一步发展为强子结构的科学理论。但是在当时发展强子结构的理论有困难，因为不知道在强子内部是否有新的力学规律在起作用，不知道强相互作用的具体形式，不知道处理强相互作用的数学方法，所以在结构模型中还只限于讨论由对称性能够得出的强子分类、新粒子预言和诸如质量、自旋、电荷、磁矩等静态性质。进一步的发展必须超出对称性的范畴，引入动力学起作用的因素。
在当时已知的最高能量下，物理实验结果表明量子数、本征值、几率波这些概念仍然有效，也就是说在强子内部的小尺度范围中，用波函数描述状态、用算符描述物理量的基本概念和方法仍然有效。于是他提出引入强子内部的结构波函数来描述强子内部结构的状态，至于决定波函数的力学规律和运动方程等则留待以后去讨论，一些严格的物理要求如相对论洛伦兹协变性和内部对称性等已经大大限制了波函数可能具有的形式。强子的组成及遵从的对称性是否取夸克模型或坂田模型的其他变种，所以后来按钱三强的建议把强子的组分粒子称为“层子”，表示物质结构许多层次中的一个层次的意思。在引入波函数以描述运动着的强子时，他认为应当区分描述内部运动和整体运动的两个概念。通过对已知实验数据的分析，他提出层子在强子内部的运动速度远小于光速，是非相对论性的，虽然强子的整体运动可以是相对论性的。
这样，可以在强子的静止坐标系中定出非相对论性的结构波函数，然后通过洛伦兹变换得到作自由运动的强子的波函数。在讨论强子发生转化的过程时，朱洪元引入始态和终态强子结构波函数的重叠积分的概念和具有特定的对称性的强子构成组分（层子之间的相互作用来计算跃迁矩阵元，用以统一地描述一系列强子的转化过程。在这些概念和方法的基础上，由钱三强大力支持，朱洪元领导的粒子理论研究集体系统地研究了强子的力学、电磁及几何等静态性质，以及强子的电磁衰变、弱衰变、强衰变等动态过程。在九个月里，他们发表了46篇科学论文，得到了一系列理论结果，其中许多和实验结果相符合。有一些当时没有实验数据，在后来才得到实验的证实。也有一些理论结果与实验不合，有待后来的实验和理论工作的新进展来解决。
“层子模型”是强子结构研究的一个重要开拓，它是在层子之间的动力学理论提出来之前的一个方向性的系统工作。这个理论中提出的强子内部结构波函数和波函数的重叠积分的概念沿用至今，随着层子间强相互作用的动力学理论的建立，它们越来越细致地被确定下来。在1966年北京亚太科学讨论会上，巴基斯坦诺贝尔物理学得主萨拉姆高度评价了这项工作。很可惜，朱洪元和中国粒子物理学家在理论上一个很好的开头被随后十年的大破坏所打断。
相关观点
核子（强子）是夸克、胶子的束缚态，由量子色动力学QCD描述。由于QCD的基本特性（高能标度下的渐近自由、低能标度下色禁闭及动力学手征对称性破缺），对核子（强子）结构和性质的QCD图象是标度相关的，在高能标度下描述强子的是与探测强子结构的硬过程相联系的QCD部分子模型，强子的夸克、胶子结构信息通过QCD部分求和规则得到，QCD微扰论是适用的理论，在低能标度时，必须发展QCD非微扰途径来描述核子（强子）。
虽然夸克模型当时取得了许多成功，但也遇到了一些麻烦，如重子的夸克结构理论认为，像
和
这样的重子可以由三个相同夸克组成，且都处于基态，自旋方向相同，这种在同一能级上存在有三个全同粒子的现象是违反泡利不相容原理的。泡利不相容原理说的是两个费米子是不能处于相同的状态中的。
夸克的自旋为半整数，是费米子，当然是不能违反泡利原理的。但物理学家自有办法，你不是说三个夸克全同吗？那我给它们来个编号或着上“颜色”（红、黄、蓝），那三个夸克不就不全同了，从而不再违反泡利原理了。的确，在1964年，格林伯格引入了夸克的这一种自由度——“颜色”的概念。当然这里的“颜色”并不是视觉感受到的颜色，它是一种新引入的自由度的代名词，与电子带电荷相类似，夸克带颜色荷。这样一来，每味夸克就有三种颜色，夸克的种类一下子由原来的6种扩展到18种，再加上它们的反粒子，那么自然界一共有36种夸克，它们和轻子（如电子、μ子、τ子及其相应的中微子）、规范粒子（如光子、三个传递控制夸克轻子衰变的弱相互作用的中间玻色子、八个传递强（色）相互作用的胶子）一起组成了大千世界。夸克具有颜色自由度的 理论得到了不少实验的支持，在70年代发展成为强相互作用的重要理论——量子色动力学。
