再次刷新人类对物质的认知,四夸克组成的新粒子首次“现身”

△图片来源:自制

尽管夸克已经小到我们不能想象,但是它们之间还是有轻重之分的。上夸克和下夸克质量最小也最稳定,是我们地球上最常见的夸克。奇夸克和粲夸克较重但很短命,昙花一现后就变成轻夸克了。宇宙线中还可以探测到奇夸克的踪迹,而粲夸克和更重的底夸克、顶夸克就只能在高能实验中一觅芳踪了。

夸克的发现史

科学家们在发现电子(1897年)、质子(1918年)、中子(1942年)这些基本粒子后,在1947年发现了第一个介子——带负电的π介子。接着在宇宙射线中和高能加速器实验中发现一些不稳定且表现很奇异的粒子,这也拉开了夸克发现的序幕。

“夸克之父”盖尔曼,先是引入“奇异数”去解释那些表现奇异的粒子,后来又提出“夸克模型”的设想,即用三种基本夸克,u、d、s夸克来解释当时所发现的各种粒子。

再次刷新人类对物质的认知,四夸克组成的新粒子首次“现身”

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1974年,在美国布鲁克海文国家实验室,丁肇中领导的实验组发现了一种新粒子,命名为J粒子。同时斯坦福的里克特(Burton Richter)领导的实验组也发现了一种新粒子,命名为ψ粒子。当年11月11日,两位大佬碰面才发现:J粒子和ψ粒子其实是一种粒子。他们共同发现了第四种夸克,粲(c)夸克的新粒子——

再次刷新人类对物质的认知,四夸克组成的新粒子首次“现身”

介子,他们两位并因此获得了1976年诺贝尔物理学奖。

1977年,美国费米实验室紧接着发现了更重的粒子,给出了b夸克存在的证据。经过十几年物理科学家们的“通缉抓捕”,1995年美国费米实验室宣布找到最后一个t夸克存在的证据。最终,6种夸克在实验上都被“缉拿归案”了。

夸克的“蜗居”生活

虽然夸克很小,但是它却不被允许享受“单间”的独居生活。实验中都是通过发现含有不同夸克的粒子来确认这些夸克的存在,这说明这些夸克都是结伴出现的。同时实验还发现,夸克的 “蜗居”很有规律,它们总是成双或成三组队,两个正反夸克住一个“介子双人间”,三个夸克住一个“重子三人间”,或者三个反夸克住一个“反重子三人间”。原子核里面的质子和中子都属于重子。