探索物质的结构是科学的一项重要任务。 自从人类出现以来，
这种探索从未停止。在 19 世纪，人们清楚地认识到物质是
由分子原子组成。 1932年查德威克发现了中子，人们意识到最初的中子
子核应该是由质子和中子组成的。人们对物质结构的研究就像剥笋子一样
一层层剥开，每一层的发现都是对物质结构认识的深化。
在原子核水平以下，质子和中子还有内部结构吗？
质子和中子不是点粒子，它们都有内部结构。 在20世纪30年代，
理论物理学家认为，质子和中子（即核子）是基本粒子，应该像点一样。
粒子，根据狄拉克相对论波动方程，质子的磁矩为1个单位
核磁子和中子的磁矩为零，因为它们不带电。但令人惊讶的是，事实上
物理学家斯特恩测得的质子磁矩为5.6个核磁子，中子磁矩也不是
是零，而是-3.82个单位核磁子，这与点粒子理论相反。这些显然是
这说明质子和中子并不像我们想象的那么简单。 他们可能有内部
结构上。 20世纪60年代，霍夫施塔特等人用高能电子轰击原子核，并证明
核子的电荷是弥散分布的，并且核子确实具有内部结构[1]。由于核子没有
它不是一个点粒子，那么它里面的物质是如何分布的？也许有三种情绪
形状：核心内部可能有一个硬核，看起来像桃子； 或者可能有很多颗粒，
它像石榴一样有很多种子； 它可能没有颗粒并且像棉绒一样松散。具体是哪一种
在这种情况下，必须通过深度非弹性散射实验做出进一步的决定。
深度非弹性散射实验是指用极高能的电子撞击质子或中子，引起
后者被激发到离散能级，即共振态，甚至达到电离π介子的程度。
脱离连续激发态。非弹性散射实验将改变质子和中子的剩余质量
数量。 实验表明，质子和中子内部存在点状准自由粒子。
它们带有一些动量和角动量。那么质子和中子中的这些点状粒子
什么是孩子？ 它有什么属性？
2.夸克模型
1964年，美国科学家盖尔曼（见上右图）提出强子结构理论
构建的夸克模型。强子是粒子分类系统中的一个概念。 质子和中子
属于强子范畴。 “夸克”一词最初指的是一种德国奶酪或海鸥的声音。
盖尔曼最初提出这个模型时，并没有想到它会得到物理学家的认可，所以
它使用了这个幽默的词。 夸克也是费米子，自旋为 1/2。
因为质子和中子的自旋是 1/2，那么三个夸克的自旋是 1/2，如果两个夸克向上自旋，
自旋向下可以形成自旋为 1/2 的质子或中子。两个优点和缺点
夸克可以形成具有整数自旋的粒子，称为介子，例如π介子，
J/ψon，后者是丁肇中等人于1974年发现的，实际上是由粲夸克组成
由反魅力夸克组成的夸克对。 任何由三个夸克组成的粒子都称为重子。
重子和介子统称为强子，因为它们都参与强相互作用，因而得名。
原子核内质子之间的电斥力很强，但原子核仍能稳定存在。
正是强相互作用（核力）将原子核结合在一起。 根据夸克模型，
夸克有分数电荷，每个夸克的电荷为 +2/3e 或 -1/3e（e 是质子
电荷单位）。现代粒子物理学认为，夸克有六种（风味），分为
又称上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克、底夸克，
它们构成了所有强子，例如由两个上夸克和一个下夸克组成的质子
，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成，然后是上夸克带
下夸克的电荷为+2/3e，下夸克的电荷为-1/3e。 上夸克和下夸克的质量略有不同。
中子的质量略大于质子的质量。 过去，人们认为这可能是由于中子，
这是由质子的电荷量不同引起的。 现在看来，这应该归因于较低的夸克质量比。
夸克质量稍大一些。
质子和中子的组成：一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成
组成时，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成
虽然夸克模型在当时取得了很多成功，但也遇到了一些麻烦。
例如，重子的夸克结构理论认为，像Ω-和Δ++这样的重子可以由三个组成
相同的夸克成分，均处于基态，具有相同的自旋方向，处于相同的能级
三个相同粒子的存在违反了泡利不相容原理。泡利不
相容原理指出两个费米子不能处于同一状态。夸克
自旋是一个半整数，它是一个费米子。 当然，它不能违反泡利原理。但是物理学
科学家们有自己的想法。 你不是说三个夸克是相同的吗？那我给他们一个数字
或者加上“颜色”（红、黄、蓝），三夸克岂不是完全不同了？
它不再违反泡利原理。事实上，格林伯格在1964年引入了夸克
这个自由度——“颜色”的概念。当然，这里的“颜色”并不意味着
它是视觉上感知的颜色。 它是新引入的自由度的代名词，类似于电力的自由度。
夸克带有色荷，类似于子子带有电荷。这样，每种夸克就分为三种类型
颜色和夸克的种类突然从原来的6种扩大到18种，而且它们
反粒子，那么自然界中一共有36种夸克，类似于轻子（比如电子、
μ子、τ子及其相应的中微子）、规范粒子（如光子、三种输运控制
控制夸克和轻子衰变的弱相互作用中间玻色子，八传递强（颜色）
相互作用的胶子）共同构成了世界。夸克具有颜色自由度
该理论得到大量实验的支持，并发展成为20世纪70年代强相互作用的重要课题。
基本理论——量子色动力学。
3. 量子色动力学及其特点
“量子色动力学”这个名字听起来有点吓人，而且发音也有点混乱。
嘴，应该这样发音：/color/。这个理论认为夸克是
带颜色的胶子场是夸克之间发生相互作用的媒介。这让我们思考
电子带电，传递电子间相互作用的介质是电磁场（光
子领域）。事实上，我们已经了解了电荷的动力学。 它被称为“量子电”。
“动力学”是在20世纪30年代和1940年代发展起来的。 大多数读者对电磁相互作用都有一定的了解。
我们很熟悉，所以我们以它为例来了解质子和中子内部的颜色相互作用。电磁场
麦克斯韦方程组的量子化就是量子电动力学。 具体来说，量子电
动力学是对电子和光子的量子碰撞（即散射）的研究。 自然是定量的
量子色动力学是对夸克和胶子量子碰撞的研究。
胶子是色场的量子，就像光子是电磁场的量子一样。胶子
光子是质量为0、自旋为1、传输相互作用的介质粒子，它们都属于
对于规范粒子。两个电子之间的相互作用是通过传递虚光子而发生的
（虚光子仅在相互作用的中间过程中产生，其能量和动量不成正比，
它不能独立存在，产生后立即湮灭。从相对论我们知道，自由运动
电子不能发射真实的光子，但可以发射虚拟的光子。给我们光和热
它是一个真实的光子。 它的能量与其动量成正比。 脱离源头后可以独立存在。
），自然地，两个夸克之间的相互作用是通过传递虚拟胶子而发生的
的。 虚拟胶子将一个夸克的部分能量和动量传递给另一个夸克，
所以这两个夸克以胶子为纽带相互作用。看到这一点，我们
你会说，你不是重复了吗？量子色动力学可以基于量子电动力学
设置葫芦画斗就是这么简单！ 但实际上事情并没有那么简单。
按照群论的语言，电磁场是一个U(1)规范场，一个阿贝尔规范场。
群元素可以交换，胶子场是SU(3)规范场，是非阿贝尔规范场。
字段和组元素不能互换。一般来说，“不”比“不”更麻烦
电荷只有一种，但色电荷有三种（红、黄、蓝）； U(1)组
只有一个发生器，即1，因此只有一种光子，有八个SU(3)群。
发生器，一台发生器对应一种胶子，所以有八种胶子； 光子不
带电，并且由于胶子场是非阿贝尔规范场，因此场方程具有非线性项，
反映了胶子的自相互作用，因此胶子也带有色荷，而夸克则发射有色电荷
胶子，会自行改变颜色。因此，胶子场比电磁场更复杂，因此有很多
有许多不寻常的现象和性质，其中最重要的可能是“渐近自由”
[2-3]和“夸克屋”[4-6]。
“渐近自由”是指当两个夸克之间的距离很小时，耦合常数也为
将变得如此之小，以至于夸克几乎可以被认为是自由的。耦合常数由于以下原因而变得更小
由真空的逆色屏蔽效应引起。真空中的夸克使真空极化（即
它赋予真空颜色），夸克与周围真空的相互作用导致真空极
虚胶子的偏振分布和变换产生的正负虚夸克，最终的效果是使夸克色荷
变大，这称为颜色的反屏蔽效应（对于电荷来说，正好相反，由于真空
极化导致电荷吸引相反符号的虚粒子，因此总电荷减少。 这就是所谓的
电屏蔽效应。与之相比，“颜色的反屏蔽效应”一词由此而来
来吧）。由于这种效应，远距离夸克似乎是
它比它携带更多的色荷，因此在小距离处的强效果变得相对较弱。 这是
所谓“渐近自由”。 渐近自由是量子色动力学的一项重要成就。
它使得能够使用微扰理论来计算高能色动力学。但是在低能的情况下或
在距离较大的情况下，由于耦合常数变强并且存在约束力，计算变得困难。
量子色动力学可以预测小距离的“渐近自由”，但对于大距离
没有“夸克禁闭”，量子色动力学就无法预测。 这就是量子色动力学。
机械困难。
“夸克禁闭”是指夸克无法逃离质子。红黄蓝三
色夸克形成无色状态，强子也是无色的。一旦夸克可以由质子或强子产生
当粒子脱离粒子时，自然界中就会出现有色粒子； 有色颗粒导致真空
进一步极化，色荷之间的约束势非常大，带来整个真空
颜色，能量很高，引起真空爆炸。事实上，这一切都没有发生查德威克发现中子方程，这意味着
既然世界上不存在自由夸克，那么我们就会问：夸克是一种数学技术吗？
巧合还是物理现实？ 研究这个问题就是对夸克模型的检验。没有
然而，现在有了夸克存在的间接证据，物理学家认为夸克是
它确实应该存在。物理学家提出了夸克被囚禁的原因
几种理论。有人提出了袖珍模型，比如认为质子是一个被真空挤压的球。
口袋可以束缚夸克并防止它们逃逸[7-9]； 有人提出了弦理论。
人们认为夸克绑在弦的两端，弦即使断了也很难断，
断裂时产生一对正夸克和负夸克，原来的强子分裂成两个新的强子。
自由夸克从未出现过[10]； 有人说，由于胶子带有色荷，
胶子之间也会存在色磁引力，因此色力线会拉紧且平行，就像
充电电容器的两个极板相互吸引，因为它们具有平行的电线。
夸克之间也有类似的吸引力； 晶格规范理论的面积定律证明夸克
K和K之间存在线性约束势[11]； 在 20 世纪 90 年代中期， 和 使用他们的
发展起来的四维空间量子场理论证明磁单极子凝聚也可以导致夸克禁闭[11]。
关于夸克禁闭的理论有很多，这恰恰说明我们对强力还没有了解。
足够的。
4. 核子结构图像和核衰变
介子光谱的研究表明，夸克之间除了单胶子的交换外，
除了颜色库仑力之外，还有颜色限制力，其势能随着距离线性增加，如上所示。
如上所述，虽然线性约束势的来源尚不清楚，但可以认为就是这个势
导致夸克被囚禁。 但这种观点可能需要受到挑战。因为相对论
用线性波方程求解介子能谱，我们发现波函数在无穷远处不会收敛到零。
相反，它是一个散射解决方案。这意味着我们应该检测自由夸克，但我们没有
并非如此。 那么这些散射解是怎么产生的呢？原来禁闭是无限远的
如此之大以至于扰乱了真空并导致夸克和反夸克的产生。这些并没有被实际测量到
产生夸克的原因之一可能是夸克的质量在长距离处变得非常大。
巨大，远远超过线性势，抑制了真空扰动产生夸克和反夸克的能力。
夸克质量随着距离的增加而增加，可能与真空极化有关（导致
真空有色）来解释。真空彩色电极极化导致色荷滚雪球
随着夸克能量和质量越来越大，浸入真空中的单夸克也越来越大。
以克为单位的质量很大，真空没有足够的能量来产生这些夸克。 也许这最终会导致
到夸克的禁闭。
对于强子结构，现在使用不同的理论模型来描述不同的能态。
基态质子和中子可以使用量子力学的薛定谔方程求解。 强子质量
主要由夸克承担； 对于激发态的共振粒子，弦模型更为成功。
该模型假设重子和介子的质量和自旋主要由弦（色子）提供
[10]； 对于较高能量的强子激发态，由于真空彩色电极极化非常强查德威克发现中子方程，
因此，强子的质量主要是色偏振的质量，夸克的质量和弦的质量是十
目前，对于不同能态的质子和中子的结构还不可能使用统一的系统。
一种理论来描述。
以上讨论的是质子、中子的静态性质及其共振态。 下面我们就来谈谈吧。
它们的衰变问题。原子核中的质子和中子是稳定的，但中子是自由的
不稳定，寿命约为 11 分钟。中子的质量比质子稍大，因为
并且可以有足够的能量衰变成一个质子并释放一个电子和电子型
反中微子。在夸克层面解释这个过程其实是：中子内部
下夸克（电荷为-1/3e）发射出带有弱相互作用的中间玻色
Subon W-，本身变成上夸克（带+2/3e电荷），W-衰变成电子
和电子型反中微子。由于质子和中子的重子数为+1，因此轻子数
为0，电子和电子型中微子的重子数为0，轻子数分别为+1和-1。
因此，在这个过程中，重子数和轻子数都是守恒的。现行粒子物理标准模型
（量子电动力学、电弱统一理论[12]、量子色动力学）认为重子
数字是保守的。 质子已经是最轻的重子，因此它不能衰变成其他重原子。
儿子，它是永恒的。由于人们所遇到的物质世界主要是由重子组成的，
，所以很容易相信质子是永恒的。但是有一个理论预测了这一点
这个概念是错误的。 质子将衰变成正电子和中性介子。 重子数和光
子数并不是绝对守恒的。该理论是一个大统一理论[13-17]，它试图
强相互作用、弱相互作用和电相互作用被统一并由耦合常数描述。大统一
该理论包含标准模型，但比标准模型更大，因此具有更多内容
径向相互作用的规范玻色子。尽管这些规范玻色子是超弱场
量子，但质子中的下夸克会释放出这种规范玻色子并变得正
电子，质子内部的上夸克吸收了规范玻色子并成为上夸克
反粒子（反上夸克），这个反上夸克与质子中的另一个上夸克有关
结合形成中性π介子。 由于引起夸克-轻子转变的场非常弱，
因此，质子虽然要衰变，但其衰变寿命却很长，约为千万亿万亿。
十亿年，而我们宇宙的寿命只有数百亿年，所以质子的平均寿命是
宇宙的寿命长了十万亿万亿倍。在你的一生中，你体内的质子只能衰变
十分之几，所以我们不用担心质子衰变会给我们的生活带来不便。
质子衰变只是理论预测，实验证明尚未完全完成[16]。
如前所述，质子中的点粒子是夸克。 事实上，它们还包括胶子。
以及海夸克的不断产生和湮灭。过去人们认为质子的自旋是1/2，它是由三个
由夸克提供，目前的研究不支持这个想法，其中三个质子
夸克的总角动量仅占质子自旋的15%，大部分自旋可能是由胶子引起的
和海夸克熊。 这被称为“质子自旋危机”，是一个热门话题。
物质的组成
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