粒子物理简介

郝政超

摘要：粒子物理是研究物质基本组成及其相互作用的物理学分支，在宇宙大爆炸的初期，宇宙中有的只是极高温度的热辐射和隐现的高能粒子。早期宇宙成了粒子物理学的研究对象，粒子物理学家也希望从宇宙早期演化的观测中获得信息和证据来检验极高能量下的粒子理论，这样物理学中研究最大对象和最小对象的两个分支——宇宙學和粒子物理学就奇妙地联系在了一起。主要介绍了粒子物理的基本粒子及其相互作用。

关键词：基本粒子;相互作用;渐近自由;等离子体

中图分类号：0320

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.037

1 粒子物理的基本粒子简介

你知道原子中的正电荷与电子是如何分布的吗？最早，汤姆逊提出了枣糕模型，即原子质量与正电荷如同糕点均匀分布，电子则如同枣一样嵌入在糕点之中。后经a粒子散射实验发现，放射性元素发出的a粒子穿过金箔后射到荧光屏上产生闪光点可用显微镜观察到，绝大多数a粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数a粒子发生较大偏转，极少数a粒子甚至被反弹回来。这些证实了汤姆逊枣糕模型是不正确的，因为电荷并不是均匀分布的。之后，卢瑟福提出了核式结构模型，即在原子中心有一个很小的核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在核里，而电子则在核外空间里绕着核旋转。这是人们所认可的模型，经过多年的实验检测，也是正确的核子模型。

质子和中子被统称为核子。1930年，博特和贝克尔发现金属铍在a粒子轰击下产生一种贯穿性很强的辐射。1932年，居里夫妇用其轰击石蜡打出质子，他们都认为这是一种高能量的γ射线，但是查德威克断定这种射线不可能是γ射线，因为γ射线不具备从原子中打出质子所需要的动量，并且他认为只有假定这是一种质量跟质子差不多的中性粒子才能解释这一现象。经过不断检验，他的这一假设被证实是完全正确的。那么他们为什么会聚集在原子核内部，而不跑出来呢？核力是能够克服质子之间的库仑斥力，使核子结合成原子核的力，它只在原子核的限度内存在并且对质子与中子”一视同仁”，对它们都有极强的束缚作用，使它们无法逃出原子核。由于核力只存在于相邻核子间，所以增加核子数并不能显著增大核子间的束缚能力。原子核的稳定性取决于核力与库仑力的较量。轻核束缚能小是因为没有足够的核子来提供核力，而重核束缚能小是因为库仑斥力随着质子数增加而变大，这也是核反应堆中的链式反应的原理。如果单纯增加中子也会遭受泡利不相容原理引起的斥力，那么什么又是泡利不相容原理呢？在费米子组成的系统中不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态，这是成为电子在核外排布成周期性从而解释元素周期表的准则之一。

所有的粒子都无法逃出原子核吗？其实不然，不稳定的原子核自发地放出射线而转变为另一种原子核的过程称为衰变。a衰变为原子核自发地放射出a粒子而转变成另一种核的一种过程，原子序数大于82和质量数大于209的放射性元素以a衰变为主。根据不确定性原理，a粒子可以在短时间内”借取”某些能量逃逸到其他核子势力范围之外，在库仑斥力下成为自由粒子。把粒子想象成一个犯人，他被囚禁在原子核监狱中，后来有一天他突然爆发了，成功地越狱了，然后他就成为一个自由的人了。

对核子再进行细分，又会是什么成分呢？那就是夸克。夸克是自旋为1/2的费米子，具有六种不同的“味道”，分别为上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克，并且每个夸克可以携带红、绿、蓝三种颜色，这里的颜色只是一种新的自由度/量子数，与日常生活中的“颜色”没有任何关联。带电粒子间的电磁相互作用是通过交换光子而实现的，光子自身不带电。与此类似，具有色荷的夸克之间的强相互作用是通过交换胶子而实现的。当两个夸克的色荷交换胶子时它们自身的色彩会同时改变。胶子会携带发出者的反色彩以补偿发出者的色变，它也会携带接收者的色彩。因胶子本身有色，因此它们也能与其他胶子互相作用。这些胶子与胶子的直接耦合，使色动力学远比电动力学更加复杂，现象也更加丰富。

在自然界中不存在携带颜色的粒子，实验表明，夸克被两两（介子）或者三三（重子）地束缚成无颜色的组合。如果量子色动力学理论是正确的，那么它就必然包含对夸克禁闭的解释，也就是说，一定能够证明夸克只能以无色组合的形式存在于自然界中。

2 夸克渐近自由现象简介

量子色动力学理论最大的成功之一在于发现了该理论中的耦合常数其实并不是一个常数，这个耦合常数是依赖于相互作用粒子间的距离的。虽然在粒子间距相对较大时，耦合常数很大，但是在粒子距离很小时，它变得非常小。这种现象就是量子色动力学两种特有现象之一的渐近自由。

1969年，物理学家奥西夫-赫里波维奇在实验中发现了SU （2）规范场理论具有渐近自由这一现象，但他并未意识到它的重要性，而是把它当成一个有趣的数学问题。1972年，杰拉德·特·胡夫特也发现了这一效应，但是不知是何原因，他并没有宣布发现了渐近自由。直至1973年，格罗斯、弗兰克·维尔切克和柏丽策这三位科学家再次发现了渐近自由，他们知道渐近自由是和强相互作用物理有关的，于是发表了关于渐近自由的发现。因此他们三位获得了2004年的诺贝尔物理学奖。渐近自由的发现对量子场论的再次复兴具有极其重要的意义。在1973年之前，因为朗道奇点的存在，所以很多物理学家对量子场论都持一种怀疑的态度。这个问题在量子电动力学中同样存在，致使不少物理学家都认为朗道奇点是无法避免的。而渐近自由理论恰恰相反，在距离较小时，粒子之间的相互作用会变得非常小，这样就避免了朗道奇点的存在。人们普遍认为这种量子场论，在任何距离尺度下均保持一致。

渐近自由可以通过重整化群中的函数来进行论证，该函数可以描述在重整化群下的“跑动”的耦合常数的变化情况。当粒子间的距离足够小（或者等价地，发生大动量转移时），人们可以通过费曼图的微扰理论计算得到渐近自由。