我们可以把这些粒子归入一个有序体系,并用下列的参数来区分它们:电荷、总自旋(也就是量子机械性本征旋转)以及受到强相互作用的影响。
轻子
自旋为1/2,不参与强相互作用。一共有六种轻子,三种带电荷,另外三种不带电荷。
三种带电荷的轻子分别为:
电子(标记为e),能量为0.511 MeV, 稳定;
μ子(标记为μ),能量为160 MeV,不稳定;
τ子(标记为τ),能量为1777MeV,不稳定;
剩下三种不带电荷的轻子,即中微子,几乎是无质量的。这三种中微子与前面提到的电子、μ子和τ子对应,分别是电子中微子(缩写为νe),μ子中微子(缩写为νμ)和τ子中微子(缩写为ντ)。
上述的每一种轻子,存在与之对应的反粒子。需要注意的是,反粒子和中微子也不是完全相同的。
根据现有的物理学知识,这六种轻子是构成物质的基本组元。
电子中微子只能通过弱相互作用力转变成电子,反之亦然,但电子中微子或电子绝不会变成μ子或者τ子。同样的规则也适用于μ子或者τ子。
强子
这些粒子受到强相互作用(强核作用力)。自然界存在着许多种强子,尽管这些强子的带电量和自旋值不尽相同,但都满足两条规律:带电量为整数且是元电荷的 -2~+2 倍;半数自旋值和整数自旋值在0 ~3/2 之间。那些拥有整数自旋值(0或1)的强子叫做介子,而那些拥有半数自旋值(1/2或3/2)的强子叫做重子,后者包括质子和中子。
让我们列举一些能表明强子内部结构的事实。
自然界存在许多种不同的强子。对于一些强子而言,例如质子、中子或带电的介子,它们的粒径可以有一定程度的扩张,大约在0.5 ~1费米【1费米 =10^- 15
基于上述和其它的事实,Gell-Mann, Zweig和其他学者于1964年提出这样的假说:所有的强子都仅由少数几种基本单元组合而成,即所谓的夸克。质子由两个上夸克(带电荷为+2/3)和一个下夸克(带电荷为-1/3)组成。
直到现在,人们还没能在任何检测器中观测到任意一个自由活动的夸克,现在人们也这是不可能的。但是,强子中的夸克还是可以通过一些方法被具体的检测到,比如高能电子轰炸(此方法类似于卢瑟福所做的散射实验,据此他证明了原子内部原子核的存在)。
那一共有多少种作为基本单元的夸克呢?最开始,人们认为只有两种,即上夸克和下夸克(分别用字母u和d来代表)。上夸克和下夸克可以组成质子(uud,即两个上夸克和一个下夸克)和中子(udd,即一个上夸克和两个下夸克)。然而,随着研究的深入,人们发现了四种新的夸克,它们分别被称为奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克(分别用s,c,b,t来代表)。这其中最重的夸克是顶夸克,直到1995年才被检测到。值得注意的是,这六种夸克可以类比轻子来进行排列。
人们用上、下、奇、粲、底、顶的方式来命名夸克。每个上夸克拥有+2/3的电荷(相应的反夸克则拥有-2/3的电荷),下夸克则拥有-1/3的电荷(相应的反夸克则拥有+1/3的电荷)。即使每个夸克拥有的电荷数是1/3的整数倍,但迄今所知的所有强子都拥有整数倍的电荷。人们发现所有的重子都由三个夸克或反夸克组成,而所有的介子都仅由一个夸克和反夸克组成。故而,强子所带电荷数必然是整数。
如果要测定一个夸克的质量,必须要保证这个夸克可以无拘束地活动,但是固有的局限是,自然界不存在可以自由活动的夸克。相应的,人们提出两种方法,在某种程度上表征夸克的质量。第一种方法是,忽略夸克之间的结合能,并假设一个强子的总质量等于其所含夸克质量的总和。例如,如果上夸克和下夸克的质量都被估计为320MeV/c^2,据此,算出的质子(夸克组合uud)和中子(夸克组合udd)的质量可以符合测量值。这种方法测算得到的夸克质量,被称之为“组分夸克质量”。
另外,我们可以用简单模型(如,非相对论夸克模型)来粗略估计夸克之间的作用力。这种模型假设作用力是恒定的,无论夸克间的距离有多大,换言之作用力与距离长短无关。基于这种模型的假设,夸克永远不能脱离相互作用,成为自由运动的粒子,这符合了前述的夸克运动的限制条件。
现在,我们来看看第二种定义夸克质量的方法。强相互作用力将夸克结合在一起,形成强子。强相互作用力的一种性质是,渐进自由性,即:随着距离的缩短,夸克的有效色荷会减弱。据此,可行的办法是,用电子来撞击夸克,依据量子场理论来近似夸克的运动轨迹(至少在初始阶段的轨迹),最后确定夸克的近似质量。通过这种方法得到的夸克质量,称之为“流夸克质量”。
在这六种夸克中,顶夸克有着特殊的地位。它的质量很大,故而衰变速率很快,寿命极短。它甚至来不及形成强子就衰变了。
总体来说,流夸克质量比组分夸克质量要小。对于三种轻质量的夸克,上夸克、下夸克和奇夸克,两种质量之间的差值约为300 MeV/c^2。打个比方,组分夸克可以被看作是一个带壳的流夸克,这个壳的质量在300 MeV/c^2到500 MeV/c^2之间。
只有那些带色荷的粒子,更准确地说,带有不为0的色荷向量的粒子,才会受到强相互作用的影响。
强相互作用力作用于带色荷粒子,依靠的是胶子的传递。
胶子最早于1979年在德国汉堡的德国电子同步加速器研究所(DESY)的正电子-电子串联环加速器(PETRA)被观测到。自然界一共存在八种不同的胶子,每一种胶子带有不同的色荷组合。六种胶子各拥有两种色荷,剩下的两种胶子分别拥有四种和六种色荷。
强相互作用不仅将夸克结合在一起形成质子和中子,还作用于原子核内的质子和中子之间(即核能),并且还存在于放射性衰变中。
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翻译:天文志愿文章组-鱼在太平洋
审核:天文志愿文章组-astron
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参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自:https://www.quora.com/What-is-the-relationship-between-leptons-quarks-and-protons-neutrons-electrons-How-do-they-differ-and-function/answer/Toni-Sementana
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