夸克與強交互作用

色禁閉(color confinement)

拿一根條形磁鐵折成兩半,你不會得到一個孤立的北極和一個孤立的南極——你會得到兩塊更小的完整磁鐵,每塊都有南北兩極。夸克的行為與此類似,甚至更為絕對。無論你多麼努力,都永遠無法分離出單個夸克。把一個夸克從質子裡拉出來,你手裡不會握著一個自由夸克;你反而會造出新的粒子。這條規則叫做色禁閉。

原因在於強交互作用隨距離變化的方式。對於電力,兩個電荷之間的吸引會隨分開而減弱。對於強交互作用則恰恰相反:當兩個夸克分開時,它們之間的膠子聚成一根繃緊的管子,力大致保持恆定——就像一根扯不斷的橡皮筋,越拉儲存的能量越多。最終儲存的能量多到這種地步:讓大自然把那份能量(通過 E = mc²)轉化成一對新的夸克—反夸克反而更划算。弦斷了,但兩個新斷頭各被一個新夸克封住,於是你只是得到兩個無色粒子,而不是一個。裸露的、帶色的夸克從不出現。

禁閉正是我們所探測到的一切都無色的原因:質子、中子、π 介子以及所有其他強子,都是色中性的束。它還意味著質子內部的夸克和膠子永遠無法被直接看到。耐人尋味的是,禁閉從未從 QCD 的方程中以完整的數學嚴格性被證明——它得到實驗和格點模擬的壓倒性支持,但一個乾淨的證明仍是數學物理中著名的未解難題之一。

把一個電子狠狠撞進質子,足以撞鬆一個夸克,你看到的不是自由夸克,而是一束狹窄的普通強子噴流——噴注——這是斷裂的色弦造出新粒子的結果。

試圖釋放一個夸克,結果產生一束束新強子,絕不會得到裸夸克。

在極端高溫下(如早期宇宙或重離子碰撞),夸克和膠子確實會短暫地自由漫遊,形成夸克—膠子電漿——禁閉是普通冷物質的一種性質,而非適用於一切條件的絕對法則。

又稱
confinementquark confinement色禁闭夸克禁闭色禁閉夸克禁閉