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敲开SU(3)夸克模型,这到底是什么?

敲开SU(3)夸克模型,这到底是什么?
2019年11月20日 11:58 新浪网 作者 六易哥

  我将在倒数第二段给出快速回答,但首先,我将介绍一些粗浅的背景知识。

  夸克是组成质子和中子(以及许多其他物质)的粒子。它们被一种“强大的力量”维系在一起。就像电磁力一样,这种强力对一种电荷有反应,但在这种情况下有三种不同的电荷。

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  电荷只由正电荷和负电荷组成,而强力的电荷则由正电荷红、负电荷红、正电荷蓝、负电荷蓝、正电荷绿、负电荷绿(更常见的叫法是正红、反红、正蓝、反蓝、正绿、反绿)组成。这种电荷叫做“色荷”。(红色、绿色和蓝色只是我们选择的标签。我们也可以用Moe, Larry和Curly来称呼,使用颜色作为标签的优点如下所示。)

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  图解:粒子物理标准模型的粒子成分。

  我们观察到所有的粒子都是无色的。就像你可以把带负电荷的电子和带正电荷的质子结合起来形成一个中性的氢原子,你也可以把一个正红夸克和一个反红夸克结合起来形成一个无色的粒子。

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  图解:图一:伪标量介子九重态。八重态的组成部分用绿色表示,而单态则用品红色表示。八重道这个名字就是从这个分类中推论出来的。

  电荷中不存在色荷的另一个特征是,三个夸克是可以合并成无色粒子的。由红夸克、蓝夸克和绿夸克组成的粒子是无色的(反红夸克、反蓝夸克和反绿夸克也是如此),就像分层的红、蓝、绿滤光片不会通过任何颜色的光一样——因此我们选择彩色的标签会更好。

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  图解:图二:自旋为0的伪标量介子所形成的九重态。

  实际上,我们可以多说一些关于所观察到的粒子的颜色属性。除了是无色的,它们还必须在被称为“SU(3)转换”的作用下保持不变。(为了明白这是什么意思,我们想象一下保持三角形不变的旋转。你会看到如果旋转120度,240度,360度,三角形还是原来的样子。这些变形是另一组叫做SO(3)的元素,与SU(3)相关。)这种在SU(3)变换下的对称性使它成为SU(3)夸克模型。

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  图解:图三:自旋为1的介子所形成的九重态。

  当然,我还没有告诉你这到底意味着什么——为此,你应该读本介绍粒子物理学的书。(为了迷惑你们,实际上还有另一种与夸克有关的SU(3)对称性,在“味”而不是颜色之间——但它只是近似的,而且它甚至只接近于真实的夸克最轻的三种味。)

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  图解:图四:自旋为12的重子所形成的八重态。

  顺便说一句,你可能想知道,如果质子和中子是无色的,那它们是如何被强大的力保持在原子核内的?我们在电磁学中也看到了类似的现象:中性分子有时会被范德华力相互作用,也就是电磁作用,连在一起。这是因为正电荷和负电荷相互抵消了,所以抵消并不完美。然而,有着强大力量的情况有点不同。这种强大的力产生了一种叫做介子的粒子,介子在复合粒子之间传递这种力。

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  夸克模型

  在粒子物理学中,夸克模型是根据原子价夸克(产生强子量子数的夸克和反夸克)对强子进行分类的方法。夸克模型是“SU(3)群”的基础或者说是八重法,成功的分类组织了大量的轻强子,这些轻强子从20世纪50年代开始被发现,一直持续到60年代。

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  图解:图五:自旋为32的重子所形成的十重态。

  它在20世纪60年代末开始得到实验验证,是迄今为止有效的分类方法。夸克模型由物理学家默里·盖尔曼和乔治·茨威格于1964年独立提出。今天,这个模型基本上被吸收为已建立的强和电弱粒子相互作用的量子场论的一个组成部分,称为标准模型。

  参考资料

  1.WJ百科全书

  2.天文学名词

  3. Sara Slater-舟舟

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