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物理学 1964

重子与介子的一个图式模型

默里·盖尔曼

数百种「基本」粒子,其实都由三种夸克拼成。

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In depth · the introduction

你身边的一切都由原子搭成——可每个原子的核心,又由更小的东西搭成,而且总是三个一组地出现。

核心想法

在 1950 年代,物理学家不断发现新的亚原子粒子,直到它们多达数百种——多得不可能个个都「基本」。1964 年,默里·盖尔曼找到了隐藏的秩序:它们几乎全都由寥寥几种微小的积木拼成,他给这些积木取名夸克。

质子是三个夸克;中子也是——只是配方不同。更轻的粒子,叫介子,是一个夸克配上它的镜像孪生兄弟——反夸克。夸克分成几种「味」——盖尔曼最初的三种是「上」「下」「奇异」——把它们以不同方式组合,就拼出了整群粒子,正如几种砖砌出每一面墙。

它是如何诞生的

盖尔曼早已把粒子的混乱整理过一回,按一套他妙趣横生地借佛家「八正道」命名的方案,把粒子归成一个个齐整的家族。有一个家族缺了一角——少了一个粒子——而当它在 1964 年于布鲁克黑文被发现,恰恰落在图样所指之处,这些家族便显然意味着某种真实的东西。夸克,正是他对「为什么」的回答。

他并不孤单。同一年在 CERN,一位名叫乔治·茨威格的年轻物理学家有了完全相同的想法,把这些部件称作「A 牌(aces)」——只是他的论文始终未被期刊接受,多年里得到的功劳少得多。盖尔曼则从詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》里一句「为马斯特·马克来三个夸克」中,取来了「夸克」这个古怪的词。

它为何重要

夸克这一构想,把一座令人眼花缭乱的动物园,变成了一套简单的体系——而它几乎怪得令人难以置信,因为夸克带分数电荷,是电子电荷的三分之一、三分之二,是从未在单独粒子身上见过的东西。盖尔曼对它们是否真实如此没把握,以至于半带挑衅地请实验去证明它们不存在。结果,它们成了一切物质的基岩:是我们所曾找到的、最深一层的「东西」。

一个可以想象的画面

把数百种粒子想成一个个单词,把夸克想成一套小小的字母表。你不必为每个单词都造一个符号——几个字母,排成不同的顺序,就能拼出全部。三个夸克「字母」拼出每一个重子;一个夸克加一个反夸克,拼出每一个介子。而正如一篇真正的文章里,字母从不散落在纸面各处,夸克也从不单独现身——它们永远只锁在一个粒子内部一同出现。

可交互的夸克搭建器:选择一个重子(三个夸克)或一个介子(一个夸克加一个反夸克),再点击每个夸克圆盘,让它的味在上、下、奇异之间循环。组件把这些组成部分画在一个虚线「口袋」里,给每个标上分数电荷,并在组合为常见粒子时命名——质子 uud、中子 udd、Ω⁻ sss、π⁺ ud̄——再把电荷相加成一个整数;专家面板还读出重子数与奇异数。

它的位置

夸克模型生长自对原子长达数十年的探问——从本馆中的汤姆孙的电子、卢瑟福的原子核,到本世纪中叶那一连串令人眼花的粒子发现。它向前延伸,连到今天的标准模型,也连到同样在本馆的希格斯玻色子——正是后者给了这些夸克质量。组成你的那个质子,归根结底,是盖尔曼的三个夸克被束缚在一起——而且束得如此之紧,从没有人能把其中单独一个揪出来。

The original document
Original source text
M. Gell-Mann · Physics Letters 8, no. 3 (1 February 1964): 214–215 · California Institute of Technology, Pasadena
The note opens from the "Eightfold Way": the baryons and mesons fall into the multiplets of the symmetry group SU(3). Gell-Mann asks what fundamental objects would generate exactly those multiplets — and answers with a single triplet.
We then refer to the members u(2/3), d(−1/3) and s(−1/3) of the triplet as "quarks".
[Editorial map of the construction] Baryons are built as three quarks (qqq) and mesons as a quark–antiquark pair (qq̄); the note also remarks on more elaborate combinations such as (qqqqq̄). The fractional charges combine to the integer charges observed: proton = uud (+1), neutron = udd (0), the triply-strange Ω⁻ = sss (−1).
[ … ]
On whether the quarks are real
A search for stable quarks of charge −1/3 or +2/3 and/or stable di-quarks of charge −2/3 or +1/3 or +4/3 at the highest energy accelerators would help to reassure us of the non-existence of real quarks.
[Editorial note] No free quark was ever found. Colour confinement — quantum chromodynamics, 1970s — explains why the fractional charges are real yet never isolated. The strange quark's heavier partners, charm, bottom and top, completed the six flavours by 1995.
California Institute of Technology, Pasadena · 1964