天天看點

基本粒子19︱J/ψ粒子的發現,以及三代誇克和三代輕子

作者:李論科學

現在我們已經知道了有三種誇克,上誇克(u)、下誇克(d)、奇誇克(s),這三種誇克再加上它們的三種反誇克,然後根據自旋平行與反平行就可以組成我們前面介紹的所有的強子了。

基本粒子19︱J/ψ粒子的發現,以及三代誇克和三代輕子

這裡的平行與反平行說的是誇克的自旋朝向一緻或者相反,比如說一個上誇克和一個反下誇克,如果他倆的自旋都朝上,都是+1/2,那他倆組合在一起就是自旋為1的ρ+矢量介子。

如果他倆的自旋是相反的,一個朝上、一個朝下,那他倆組合在一起就是自旋為0的π+赝标介子。這就是所謂的自旋同向和不同向的差別了,完全就是不同的例子,那微觀世界就是這麼神奇。

基本粒子19︱J/ψ粒子的發現,以及三代誇克和三代輕子

好,那從1964年蓋爾曼提出這個誇克模型,并且說了三個誇克以後,直到1974年,這十年間,人們再也沒有發現哪個強子是這三種誇克解釋不了的,這是不是就意味着在基本粒子中就隻有三種誇克了。

并不是的,當時人們覺得至少還有一種誇克沒有被我們發現,因為,你看,我們前面已經介紹了四種輕子了,電子和電子中微子,缪子和缪子中微子,但你這誇克隻有三個,很明顯不好看,是以當時美國實體學家格拉肖就說,肯定還有一種誇克,格拉肖這個人挺厲害的,他在弱電統一理論中做出了突出的貢獻。

基本粒子19︱J/ψ粒子的發現,以及三代誇克和三代輕子

那結果是肯定的,确實還有新的誇了,而且不止一個,就在1974年的11月,美籍華裔實體學家丁肇中在麻省理工學院上司的研究小組就對外公布,它們發現了一個新的粒子,叫J粒子,就在同一時間,另外一組由利克特上司的研究小組,在斯坦福直線加速器中心也發現了同一個粒子,它們給這種粒子起名叫ψ粒子。

不光是名字不同,兩個實驗小組發現J/Ψ粒子的方式也不同,丁肇中上司的小組是在研究質子和質子的碰撞實驗中,發現了J粒子。

并且測量J粒子的品質大約為3097兆電子伏特,不确定範圍小于5兆電子伏特,這麼小的不确定範圍,根據海森堡的不确定性原理,就能知道J粒子的壽命相比與其他強衰變的粒子來說就很長了很對。

那利克特小組是在正負電子對撞機中發現Ψ粒子的,當正負電子攜帶的能量在3097兆電子伏特的時候,就會産生Ψ粒子,并且準确的測量了Ψ粒子品質的不确定範圍隻有大約63Kev,是以Ψ粒子的壽命大約為10^-20秒。

這個時間非常短,但是相比于其他強衰變的粒子來說,Ψ粒子的壽命長了3到4個數量級,而且根據以往的規律,這粒子的品質越大,它的壽命越短,Ψ粒子比其他粒子的品質大了2到3倍,但壽命卻長了很多,這一點就比較奇怪。

這一點通過已知的三種誇克模型無法解釋,是以能夠想到的最好的辦法就是假設J/Ψ粒子是由一種新的誇克組成的,它就是粲誇克,具有新的量子數粲數,記為C,那粲誇克的粲數就是1,反粲誇克的粲數就是-1。

那J/Ψ粒子其實就是粲誇克和反粲誇克以自旋平行的方式組成的介子,它之是以壽命較長,是因為J/Ψ粒子在衰變的時候沒有粲數守恒的衰變方式,你可以了解為它相較于其他粒子來說,缺少一些衰變的途徑,是以它就不容易衰變了,壽命就長了。是以這隻有假設出一種具有新的量子數的誇克才能解釋J/Ψ粒子的異常行為。

好,那既然我們有了新的誇克,那誇克的總數就變成了四個,這個新的粲誇克也可以和其他誇克再次組成一些新的強子。

這些強子的量子數,甚至品質,我們都可以在理論上做出預測,是以尋找這些強子也就是在檢驗誇克模型的準确性。

基本粒子19︱J/ψ粒子的發現,以及三代誇克和三代輕子

那圖中的這幾個粒子,就是我們現在已經确認的具有粲數的強子,它們的發現就很有力地證明了組成強子的誇克确實存在。

是以1976年丁肇中和利克特就因為發現了粲誇克的束縛态J/Ψ粒子獲得了諾獎,這個發現讓沉寂了很久的粒子實體又開始熱鬧了起來,也鼓舞了很多實驗實體學家,它們都在努力尋找新的粒子。

到了1977年的時候,萊德曼上司的小組宣布它們又發現了一種新粒子,起名叫Υ,發現這種粒子的方法和丁肇中小組發現J粒子的方法一模一樣,這種粒子是由一種由全新的誇克和反誇克以自旋平行的方式構成的,這種新誇克就是取名為底,記為b。

既然我們發現了底誇克,那根據對稱性的要求,科學家肯定會認為一定存在一種和底誇克相對應的誇克,稱為頂誇克。

是以,在底誇克被發現以後,實驗實體學家就立即着手尋找頂誇克了,但沒想到找這種誇克花了将近20年的時間,因為頂誇克非常重,大約是底誇克品質的45倍,而且由于誇克不能自由存在,那要産生頂誇克的加速器的能量至少要達到頂誇克品質的2倍以上。

而當時加速器的能量也就隻有幾十個Gev,是以直到1995年的時候,我們才找到了頂誇克。

那我們現在就有了六種誇克了,上、下、粲、奇、頂、底,但是反觀輕子,我們現在隻知道四種,電子、電子中微子、缪子和缪子中微子。

很明顯,僅從美學的角度來看少了一組輕子。是以實驗實體學家在尋找頂誇克的同時,也是尋找這對新的輕子。

在1979年的時候,實體學家馬丁·佩爾在正負電子對撞機中就發現了一個新的粒子,它就是陶子,跟它相關的一個中微子叫陶子中微子。雖然陶子是輕子,但是他的品質達到了1776Mev,将近是質子品質的兩倍。就像我們前面說的,它完全就是電子的版本。

特重

基本粒子19︱J/ψ粒子的發現,以及三代誇克和三代輕子

那到這裡的話,我們就已經說完了,組成物質的所有的費米子了,它們分為兩類誇克和輕子,各六種。從圖中可以看出這些基本粒子根據品質分為了三代,第一代誇克是上和下,第一代輕子是電子和電子中微子,很明顯我們的世界就是有第一代基本粒子構成的。

那剩下的第二代誇克,粲和奇,第三代誇克頂和底,都是第一代誇克的重版本,因為它們除了品質有差異以外,其他的形式完全一樣,那在輕子家族中也有這種世代重複的現象。目前我們并不知道,基本粒子為什麼重複出現,更不知道為什麼第三代粒子的品質遠比第一代和第二代要重,這些都是未解之謎。

基本粒子19︱J/ψ粒子的發現,以及三代誇克和三代輕子

現在我們看到的這個圖就是标準模型中的所有的基本粒子,當然沒有包括反粒子在内,現在我們說完了誇克和輕子,接下來要說的就是傳遞物質之間力的粒子,規範玻色子,也就是三種基本作用力的作用方式。

繼續閱讀