費曼圖與散射

深度非彈性散射(deep inelastic scattering)

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如果你想知道一個包好的禮物是一整塊實心物,還是一盒散落的玻璃彈珠,你也許會用力搖一搖、聽一聽。20世紀60年代末,物理學家做了這件事的粒子物理版本:他們把極高能量的電子徑直射進質子,看電子如何彈回。這些碰撞猛烈到能轟進質子深處並把它打散——「深度」指高能量、短距離,「非彈性」指質子無法完好倖存。他們所看到的,改寫了我們對物質的圖景。

關鍵的線索在這裡。如果質子是一團柔軟、均勻的電荷,高能電子大多會幾乎直穿而過,只有小幅偏折。然而,竟有出人意料的一部分電子以很大的角度彈了回來,活像是撞上了在內部亂竄的、堅硬而微小的點狀物體。這正是幾十年前拉塞福用來發現原子核的同一套邏輯,如今被應用到更深一層。電子所撞上的那些點狀物,就是我們如今所稱的夸克;而偏折圖樣無視質子整體尺寸的那種特性(叫做標度無關性,scaling),正是質子擁有內部組分的確鑿證據。

深度非彈性散射是物理學史上最重要的實驗之一:它給出了「質子和中子由夸克構成」的首個直接證據,把夸克從一種記帳式的想法變成了物理實在。它還揭示出夸克被膠子束縛,並在被猛烈探測時表現得近乎自由(漸近自由,asymptotic freedom),為強交互作用理論埋下了種子。即便在今天,深度非彈性散射的資料仍告訴我們,質子的動量如何在它的夸克與膠子之間分配——這就是每一項對撞機分析都依賴的部分子分布函數。

1968年在史丹佛直線加速器上,射向質子的電子以大角度彈回的次數,遠多於一個光滑質子所能允許的。這種堅硬反衝的超出量,正是質子內部存在點狀夸克的標誌,這個實驗也因此贏得了諾貝爾獎。

尖銳的反衝,洩露了質子內部的點狀夸克。

深度非彈性散射揭示出的夸克,從未以自由粒子的形式被看到:色禁閉意味著被撞出的夸克會立刻變成一束強子(噴注),所以證據雖是間接的,卻毫不含糊。

又稱
DIS深度非弹性散射深度非彈性散射