最新文章专题视频专题关键字专题TAG最新wkwk2 wk1wk3wk4wk5wk6wk7wk8bk22bk21bk23bk24bk25bk26bk27bk28bk29wk9视频文章

标准模型中夸克怎样合成质子和中子 Quark Assembly of Proton & N 【 播放不了点此报错 】

视频简介

原子英文:atom原子是人类最经典的、使用最为广泛的基本假设。原子的假设,可用来精确的解释物理学中力学、热力学、光学、量子力学、统计力学等等几乎物理方方面面的问题,以及同为自然科学的生物学(用物理学家的眼光看,一切生物过程都是原子的运动)、化学(化学可以使用量子力学等解释)等等,在未来,或许会延伸到各个学科。原子的假设建立时是基于人类直观的感觉-物质的粒子性。但在物质波动性上也可以神奇地找到它的影子。也许就是因为原子的假设,使物理学有现在这样辉煌的成果。原子可看作地球一样大的体育馆里的一颗乒乓球(原子半径的数量级在10的-10次方),研究原子的方法也好比在这个体育馆里放置10的23次方以上的乒乓球,并且让这些球不停地跳动起来。原子核是由质子和中子构成,更外层有电子围着原子核高速转动.原子是构成自然界各种元素的最基本单位,由原子核和核外轨道电子(又称束缚电子或绕行电子)组成。原子的体积很小,直径只有10的-8次cm,原子的质量也很小,如氢原子的质量为1.673 56*10的-24g,而核质量占原子质量的99%以上。原子的中心为原子核,他的直径比原子的直径小很多。原子核带正电荷,束缚电子带负电荷,两者所带电荷相等,符号相反,因此,原子本身呈中性。束缚电子按一定的轨道绕原子核运动,当原子吸收外来能量,使轨道电子脱离原子核的吸引而自由运动时,原子便失去电子而显电性,成为离子。原子是构成元素的最小单元,是物质结构的一个层次.原子一词来自希腊文,“意思是不可分割的.”公元前4世纪,古希腊物理学家德谟克利特提出这一概念,并把它当作物质的最小单元,但是差不多同时代的亚里士多德等人却反对这种物质的原子观,他们认为物质是连续的,这种观点在中世纪占优势,但随着科学的进步和实验技术的发展,物质的原子观在16世纪之后又为人们所接受,著名学者伽利略、笛卡儿、.牛顿等人都支持这种观点.著名的俄国化学家门捷列夫所发现的周期律指出各种化学元素的原子间相互关联的性质是建立原子结构理论时的一个指导原则.从近代物理观点看,原子只不过是物质结构的一个层次,这个层次介于分子和原子核之间.质子质子的故事古老而又新奇。1919年卢瑟福用天然放射性物质产生的了元素的人工转变,多少世纪来“点石成金”的梦想成为现实。1932年中子发现以后,伊凡宁柯和海森堡捷足先登立即提出“原子核由质子与中子构成”的主张,质子成了组成物质的最重要的基石。半个多世纪来,质子以它的资格老、稳定性强、分布面广、所处位置重要这几点成为基本粒子大家族中不可缺少的顶梁柱。今天,质子依然是粒子物理学家瞩目的对象,在古老的质子身上,科学家谱写了新的篇章。质子在原子核内可以转变为中子,但自由质子是稳定的,寿命无限长。这个传统观念现已受到挑战。1974年乔治(Georgi)和格拉肖(Glashow)提出了把强、弱、电三种相互作用统一在一起的SU(5)大统一理论。按照这种理论,质子是不稳定的,它估算出质子的寿命约为1028~2.5×1031年。大统一理论还作出种种诱人的预言:它可以自动得出电荷量子化,即所有电荷应是e/3的整数倍的结论;它还可以说明宇宙中反物质比物质少的原因,这对探索宇宙起源提供了线索…科学家们的想象力甚至走得更远,他们推测,一旦证实质子真的会衰变,大约1035年以后,宇宙将成为稀薄的电子正电子等离子体。当然,这对于人生不过200年的当代人,毕竟是太遥远了。于是测定质子的寿命成为大统一理论能否安身立命的试金石。由于质子寿命很长,估计为1031年左右,这就是说一年期间在1031个质子中才会有一个质子蜕变。为了消除宇宙射线的干扰,整个实验要在地底深处进行。1983年前后,美国、印度、日本等国的粒子物理学家做了一些探测质子衰变的实验。他们不惜巨资,一头钻进不见天日的地下矿井,耐心细致地测量。其中最有说服力的实验是美国IBM公司的一个协作组在俄亥俄(Ohio)州克里弗兰(Cleveland)市以东600多米的一个盐矿中进行的。探测装置的中部是17×18×23m3的纯水,矩形体的六面布置了2048只光电倍增管,每只直径为12.5cm,想以此来探测正电子和两个高能光子通过纯水时产生的契仑柯夫辐射。经过204天的连续观察,未测到一个质子衰变事例。据此推算,质子的寿命一定大于1.7×1032年,从而否定了SU(5)理论。但另一个由印度和日本科学家组成的实验小组,在地下3000米的柯拉金矿的废矿井中,进行的实验却传出佳音。经过两年观察共发现6个质子衰变的事例,其中3个认为是比较可靠的,据此推算,质子的平均寿命约为7×1030年,与大统一理论相符。但这一实验结果比较粗糙,没有得到公认。质子是否衰变,尚在探索之中,一时难以定论。除了质子的寿命,自50年代以来质子或范围更广的强子的内部结构一直是粒子物理学家感兴趣的问题。这里有两条线索。一条是盖尔曼(Gell-mann)的夸克理论,另一条是高能电子弹性散射和深度非弹性散射的研究。用带电粒子作炮弹来研究物质结构是一种始于卢瑟福经典实验的传统做法。循着这条路,美国的霍夫施塔特(Hofstadter)从1950年起使用斯坦福大学直线加速器把高能电子射向金、铅、钼、铍等靶子,电子被核子弹性散射,按电子的能量和散射后的偏转角对电子进行计数,从而描绘出核子的电荷分布。1957年他利用更有力的加速器和散射装置,发现质子和中子具有同样的大小和形状,直径为10-14厘米,并得出核子的磁矩分布。霍夫施塔特通过高能电子弹性散射研究核子电磁结构的杰出贡献,使他荣获1961年度诺贝尔物理学奖。1967年初,20GeV的电子直线加速器在斯坦福大学建成,最初重复了弹性散射阶段的工作,没有新的发现。有的物理学家戏称:“看来桃子没有核。但随着能量增大,实现了高能电子深度非弹性散射过程,出现了新现象。实验结果的分析表明质子内部存在更小的点状粒子。弗里德曼(Friedman)、肯达尔(Kendall)、泰勒(Taylor)因上述高能电子深度非弹性散射实验而获得1990年度诺贝尔物理学奖。实验后不久,费曼提出了部分子模型,他把核子内部的点状粒子称为部分子(Parton),并解释了实验中出现的称为无标度性的典型现象。现在一般倾向于认为高能电子所“看”到的部分子正是夸克。实验表明,质子内两个u夸克和一个d夸克携带了质子动量的50%,另外50%的动量由不带电的胶子携带。可是至今末探测到自由夸克,圆满解决质子结构问题还有长长的一段路要走。中子(neutron)是组成原子核的核子之一。中子是1932年B.查德威克用a粒子轰击的实验中发现,并根据E.卢瑟福的建议命名的。中子电中性,其质量为 1.6749286×10-27千克(939.56563兆电子伏特),比质子的质量稍大,自旋为1/2,磁矩以核磁子作衡量单位为-1.91304275。自由中子是不稳定的粒子,可通过弱作用衰变为质子,放出一个电子和一个反电子 中微子,平均寿命为896秒。中子是费米子,遵从费米-狄拉克分布和泡利不相容原理。中子和质子是同一种粒子的两种不同电荷状态,其同位旋为 1/2,中子的同位旋第三分量I3=-1/2。中子是组成原子核构成化学元素不可缺少的成分,虽然原子的化学性质是由核内的质子数目确定的,但是如果没有中子,由于带正电荷质子间的排斥力,就不可能构成除氢之外的其他元素。在轻核中含有几乎相等数目的中子和质子;在重核中,中子数则大于质子数,例如中共有146个中子和92个质子。对于一定质子数的核,中子数可以在一定范围内取几种不同的值,形成一个元素的不同同位素。结构本段中子不带电而具有磁矩。高能电子、μ子或中微子轰击中子的散射实验显示中子内部的电荷和磁矩有一定的分布,说明中子不是点粒子,而具有一定的内部结构。中子是由3个更深层次的粒子—夸克构成的。用途本段中子是研究核反应很好的轰击粒子,由于它不带电,即使能量很低,也能引起核反应(见中子核反应)。中子还在核裂变反应中起重要作用。电中性的中子不能产生直接的电离作用,无法直接探测,只能通过它与核反应的次级效应来探测。根据微观粒子的波粒二象性,中子具有波动性,慢中子的波长约10-10米,与晶体内原子间距相当。中子衍射是研究晶体结构的重要技术。中子是不带电的基本粒子,静止质量为1.675×10^-27kg,它的半径约为O.8×10^-15m,与质子大小类似。中子常用符号n表示。①1932年英国物理学家查德威克在做了用α粒子轰击硼的实验中发现了中子。②单独存在的中子是不稳定的,平均寿命约为16分,它将衰变成质子、电子和反中微子ν。③原子核由中子和质子组成,原子核内的中子是稳定的。④由于中子不带电,所以容易打进原子核内,引起各种核反应。⑤中子的自旋量子数为1/2。⑥中子包含两个具有-1/3 电荷的下夸克和一个具有+2/3 电荷的上夸克,其总电荷为零。夸克quark(喷射轨迹图片来源:《时间简史》图5.2,一个质子和一个反质子在高能下碰撞,产生了一对几乎自由的夸克。1964年,美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元—Quark组成的。它们具有分数电荷,是基本电量的2/3或-1/3倍,自旋为1/2。夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》的词句“为马克检阅者王,三声夸克(Three quarks for Muster Mark)”。夸克在该书中具有多种含义,其中之一是一种海鸟的叫声。他认为,这适合他最初认为“基本粒子不基本、基本电荷非整数”的奇特想法,同时他也指出这只是一个笑话,这是对矫饰的科学语言的反抗。另外,也可能是出于他对鸟类的喜爱。最初解释强相互作用粒子的理论需要三种夸克,叫做夸克的三种味,它们分别是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇夸克(strange,s)。1974年发现了J/ψ粒子,要求引入第四种夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c)。1977年发现了Υ粒子,要求引入第五种夸克底夸克(bottom,b)。1994年发现第六种夸克顶夸克(top,t),人们相信这是最后一种夸克。夸克理论认为,所有的重子都是由三个夸克组成的,反重子则是由三个相应的反夸克组成的。比如质子(uud),中子(udd)。夸克理论还预言了存在一种由三个奇异夸克组成的粒子..www.aiyanqing.com防采集请勿采集本网。

《标准模型中夸克怎样合成质子和中子 Quark Assembly of Proton & N》由哔哩哔哩提供,总时长09:47,版权归哔哩哔哩所有,希望您对《标准模型中夸克怎样合成质子和中子 Quark Assembly of Proton & N》喜欢,如对《标准模型中夸克怎样合成质子和中子 Quark Assembly of Proton & N》任何意见,请与本网联系。

在标准模型中,夸克是唯一一种能经受全部四种基本相互作用的基本粒子,基本相互作用有时会被称为“基本力”(电磁、引力、强相互作用及弱相互作用)。夸克同时是现时已知唯一一种基本电荷非整数的粒子。

中子(Neutron)是组成原子核的核子之一。中子是组成原子核构成化学元素不可缺少的成分(注意:氢元素H不含中子),虽然原子的化学性质是由核内的质子数目确定的,但是如果没有中子,由于带正电荷质子间的排斥力(质子带正电,中子不带电),就不可能构成除氢之外的其他元素。性质稳定性和β衰变中子β衰变的费曼图。经由一个W玻色子,中子衰变为一个质子,同时释放出一个电子和一个反电子中微子。中子由三个夸克构成。根据标准模型,为了保持重子数守恒,中子唯一可能的衰变途径是其中一个夸克通过弱相互作用改变其味。组成中子的三个夸克中,两个是下夸克(电荷−1⁄3e),另外一个是上夸克(电荷+2⁄3e)。一个下夸克可以衰变成一个较轻的上夸克,并释放出一个W玻色子。这样中子可以衰变成质子,同时释放出一个电子和一个反电子中微子。自由中子的衰变自由中子不稳定。据此估计其半衰期为611.0±1.0 秒(大概10分钟11秒)。中子的衰变可用以下方程描述:根据中微子、质子和电子的质量,此反应的衰变能为0.782343 兆电子伏特。如果此反应中中微子的动能忽略不计的话,已测得电子的最大能量为0.782±.013兆电子伏特。这一实验结果误差太大,无法用于估计中微子的静止质量。有千分之一的自由中子会在生成质子、电子和中微子的同时,释放出γ射线:这种γ射线是轫致辐射的结果。当反应中释放出的电子在质子产生的电磁场中运动时,高速运动的电子骤然减速发出的辐射。有时原子核中束缚态的中子衰变时,也会产生γ射线。有极少量的自由中子(大概百万分之四)会发生所谓的双体衰变。在此反应中,电子在产生后未能获得足够的能量脱离质子(估计为13.6电子伏特),于是和质子生成一个中性的氢原子。反应的所有能量皆转化为反电子中微子的动能。束缚态中子的衰变不稳定原子核里的中子可以像自由中子一样衰变。但是,中子衰变的逆过程也可以发生,即逆β衰变。质子可以转变为一个中子,同时放出一个正电子和一个电子中微子:质子还可以通过电子俘获转变成一个中子,同时放出一个电子中微子:理论上,核内中子俘获正电子生成质子也是有可能的。但是,两个因素对此过程不利。一方面原子核带正电荷,因此同正电子同性相斥。另一方面正电子和电子相遇会发生湮灭。因此正电子俘获事件的几率很小。因原子核内的中子受到其他因素的制约,稳定性和自由中子不尽相同。比如,如果核内一个中子衰变成质子,核内正电荷的斥力就会增大。这个斥力的势能就变成中子衰变的一个势垒。如果中子不能突破这个势垒,它就无法衰变。这也可以解释在自由状态下稳定的质子有时会在束缚态中转变为中子。电偶极矩标准模型预言中子具有微小但非零的电偶极矩。但是测量其数值所需的精度远远超过实验条件。标准模型不可能是对物理现实的最终和最完整的描述。超越标准模型的新理论得到的数值一般要比标准模型的大得多。目,前,至少有四组实验力图测量中子的电偶极矩:劳厄-朗之万研究所(Institut Laue–Langevin)的低温中子电偶极矩实验(CryoEDM),在建保罗·谢若研究所(Paul Scherrer Institute)的中子电偶极矩实验(nEDM),在建橡树岭国家实验室散裂中子源(Spallation Neutron Source)的中子电偶极矩实验(nEDM),拟建劳厄-朗之万研究所的中子电偶极矩实验(nEDM),磁矩虽然中子是电中性粒子,但是中子具有微小但非零的磁矩。反中子反中子是中子的反粒子,是由布鲁斯·考克(Bruce Cork)于1956年发现,比反质子的发现晚一年时间。CPT对称理论对粒子和反粒子的性质有严格的限制,因此观测中子-反中子可以对CPT对称进行缜密的检验。中子和反中子质量差异约为9±6×10,仅为2σ,不足以证明CPT对称破缺。中子结构和电荷的几何分布一篇2007年发表的文章进行了不依赖于模型的分析后作出结论,中子的外壳带负电荷,中间层带正电荷,而中心带有负电荷。[26]简单的说,中子的电负性外壳同质子相互吸引。但是,在原子核中,质子和中子之间最主要的作用力为核力。这种力跟粒子是否带电荷无关内容来自www.aiyanqing.com请勿采集。

推荐相关阅读:《量子杂志》:质子发生了什么?夸克的数学仍与实验冲突

在今天的《量子杂志》(Quanta Magazine)上,刊登了一篇题为:“质子发生了什么? 夸克数学仍与实验冲突”(What Goes On in a Proton? Quark Math Still Conflicts With Experiments)的评论文章。

这篇文章评论说,控制夸克粒子的超复杂数学的两种近似方法最近发生了冲突,这使物理学家们不确定他们几十年来的理论所预测的结果。下面是文章简要介绍(有点长、耐心看)。

物体是由原子组成的,原子同样是它们各个部分(电子、质子和中子)的总和。但是,深入到这些质子或中子,事情就会变得很奇怪。被称为夸克的三个粒子以几乎光速来回摆动,被相互连接的一连串称为胶子的粒子断开。奇怪的是,质子的质量必须以某种方式由可伸展的胶子弦的能量产生,因为夸克的重量很小,胶子什么也没有。

物理学家在1960年代发现了这样的奇怪的夸克-胶子的图景,并将其与70年代创建的量子色动力学(英语:Quantum Chromodynamics,简称:QCD)理论的方程式进行了匹配。问题在于,尽管该理论看似准确,但数学上却异常复杂。面对计算三个稀疏夸克如何产生笨重质子的任务,QCD根本无法产生有意义的答案。

如上图所示:三个粒子靠近在一起,然后彼此分开。它们之间的区域显示为绿色。一个质子由被胶子束缚在一起的三个夸克组成。使用称为QCD点阵的方法对这些组件进行了模拟。

英国曼彻斯特大学粒子物理学家马克·兰卡斯特(Mark Lancaster)说:“这令人着迷,又令人沮丧。” “我们知道夸克和胶子彼此相互作用,但是我们无法计算结果。”

有一项一百万美元的数学奖就是与解决QCD中使用的这样的方程式类型相关,以证明大量的如质子等实体是如何形成的。缺乏这样的解决方案,粒子物理学家开发出了艰苦的解决方法,以提供近似的答案。有的通过粒子对撞机实验来推断夸克活动,有的则利用世界上最强大的超级计算机。但是,这些近似技术最近发生了冲突,物理学家无法确切地确定其理论预测的结果,因此无法解释新的、无法预测的粒子或效应的迹象。

要了解是什么使夸克和胶子成就了此类数学法则,考虑使用多少数学机制来描述所谓行为良好的粒子。

例如,一个不起眼的电子可以短暂发射,然后吸收光子。在光子寿命短的过程中,它可以分裂成一对物质-反物质粒子,每个粒子都可以无限地参与进一步的魔幻行为。只要每个单独的事件迅速结束,量子力学就可以使“虚拟”活动的混合波无限期地持续下去。

在1940年代,经过艰苦奋斗,物理学家们开发出了可以适应自然界这种奇特特征的数学规则。研究电子涉及将其虚拟随从分解成一系列可能的事件,每个事件对应于一张被称为费曼图和一个匹配方程。对电子的完美分析将需要无限的图表,以及无限多个步骤进行的计算,幸运的是,对于物理学家来说,截断该系列给出足够好的答案。

1960年代发现的夸克打破了一切。通过用电子对质子进行撞击,研究人员发现质子的内部部分,并受到一种新的力的束缚。物理学家竞相寻找一种可以处理这些新构建基元的描述,并且设法将夸克的所有细节和“强力”包裹起来,并在1973年将其绑定为一个紧凑方程。但是,其强力理论与量子色动力学,所体现的行为既不像通常那样,也没有粒子。

费曼图将粒子视为好像是通过相互接近而相互作用,就像撞球一样。但是夸克不是这样。加州大学里粒子物理学家弗利普·塔内多(Flip Tanedo)认为,费曼图代表三个夸克从远处聚在一起并相互结合形成一个质子,这仅仅犹如是一个“卡通”,因为夸克的结合非常牢固,以至于他们没有独立的存在。它们之间的连接强度也意味着与费曼图相对应的无穷多个项以不守规矩的方式增长,而不是迅速消失以至于容易进行近似,费曼图成了错误的工具。强力很奇怪,主要有两个原因。首先,电磁力仅涉及一种电荷,而强力涉及三种电荷:被称为红色、绿色和蓝色的“彩色”电荷。更奇怪的是,被称为胶子的强力载体,本身也承担着发色。因此,虽然包含电磁场的电中性光子不会互相影响,但彩色胶子的集合却聚集在一起形成弦串。兰卡斯特说:“这确实促使我们看到差异。”胶子的能力以及这三种电荷使强大的力量变得强大,如此之强,夸克无法逃脱彼此的陪伴。

数十年来积累的证据表明,胶子存在并在某些情况下按预期起作用。但是对于大多数计算而言,QCD方程已被证明是棘手的。然而,物理学家需要知道QCD的预测,不仅要了解夸克和胶子,还要确定其他粒子的性质,因为它们都受到包括虚拟夸克在内的量子活动的影响。

如下图所示胶子场的动画,QCD所模拟的胶子场演化的点阵,能量密度最高的区域以红色显示。

一种方法是通过观察夸克在实验中的行为来推断无法计算的值。费米加速器实验室的粒子物理学家克里斯·波利说:“将电子和正电子一起猛击在一起,探询在最终状态下制造夸克的频率。”从这些测量中,可以推断出夸克束多长时间出现在围绕所有粒子的虚拟活动中。

其他研究人员继续尝试通过使用超级计算机计算近似解来从规范QCD方程中获取信息。布鲁克黑文实验室的粒子物理学家亚伦·迈耶(Aaron Meyer)说:“只需不断增加计算周期,答案就会越来越好。”

这种称为QCD晶格的计算方法将计算机变成对数字夸克和胶子的行为进行建模的实验室。该技术以将时空切成点网格的方式而得名。夸克位于晶格点上,QCD方程使它们相互作用。网格越密,模拟越精确。费米实验室的物理学家安德烈亚斯·科隆菲尔德(Andreas Kronfeld)记得三年前,这些模拟是如何在侧面仅有少量晶格点的。但是计算能力提高了,晶格QCD现在可以成功地预测质子的质量在实验确定的值的百分之几以内。

理论家认为,这些数字实验要想与夸克对其他粒子产生的影响相距尚远,还需要一年或两年的时间才能与对撞机实验竞争。但是在2月,一次欧洲合作通过预印本震惊了整个学界,该预印本声称使用新颖的降噪技术将一种称为μ子的磁性能钉在其真实值的1%以内。

然而,研究小组对μ子周围虚拟夸克活动的预测与电子-正电子碰撞的推论相冲突。最近的一份关于冲突结果的调查报告说,对QCD晶格的许多技术细节仍然知之甚少,例如如何从坚硬的晶格跳回到平滑的空间。目前正在努力确定QCD对介子的预测,许多研究人员认为这是未发现粒子的征兆。

同时,具有数学头脑的研究人员并没有完全为找到一种解决强力问题的纸笔策略而感到沮丧,并可能获得了克莱数学研究所提供的数百万美元的奖励,以严格预测最轻量级的馆藏数量夸克或胶子。

在理论上,这是一种称为全息原理(holographic principle)的工具。一般的策略是将问题转换成一个抽象的数学空间,夸克的某些全息图可以彼此分开,从而可以用费曼图进行分析。

简单的尝试看起来很有希望,但没有一个方法能达到QCD来之不易的准确性。目前,理论家将继续完善,并梦想着能够驯服基本而又不可分离的夸克的新型数学机制。

版权声明:《量子杂志》:质子发生了什么?夸克的数学仍与实验冲突由量子认知提供,版权归原作者所有。

热门推荐