夸克与强相互作用

色禁闭(color confinement)

拿一根条形磁铁折成两半,你不会得到一个孤立的北极和一个孤立的南极——你会得到两块更小的完整磁铁,每块都有南北两极。夸克的行为与此类似,甚至更为绝对。无论你多么努力,都永远无法分离出单个夸克。把一个夸克从质子里拉出来,你手里不会握着一个自由夸克;你反而会造出新的粒子。这条规则叫做色禁闭。

原因在于强相互作用随距离变化的方式。对于电力,两个电荷之间的吸引会随分开而减弱。对于强相互作用则恰恰相反:当两个夸克分开时,它们之间的胶子聚成一根绷紧的管子,力大致保持恒定——就像一根扯不断的橡皮筋,越拉储存的能量越多。最终储存的能量多到这种地步:让大自然把那份能量(通过 E = mc²)转化成一对新的夸克—反夸克反而更划算。弦断了,但两个新断头各被一个新夸克封住,于是你只是得到两个无色粒子,而不是一个。裸露的、带色的夸克从不出现。

禁闭正是我们所探测到的一切都无色的原因:质子、中子、π 介子以及所有其他强子,都是色中性的束。它还意味着质子内部的夸克和胶子永远无法被直接看到。耐人寻味的是,禁闭从未从 QCD 的方程中以完整的数学严格性被证明——它得到实验和格点模拟的压倒性支持,但一个干净的证明仍是数学物理中著名的未解难题之一。

把一个电子狠狠撞进质子,足以撞松一个夸克,你看到的不是自由夸克,而是一束狭窄的普通强子喷流——喷注——这是断裂的色弦造出新粒子的结果。

试图释放一个夸克,结果产生一束束新强子,绝不会得到裸夸克。

在极端高温下(如早期宇宙或重离子碰撞),夸克和胶子确实会短暂地自由漫游,形成夸克—胶子等离子体——禁闭是普通冷物质的一种性质,而非适用于一切条件的绝对法则。

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