粒子与反粒子

2013-07-07吕立君

赤峰学院学报·自然科学版 2013年1期

关键词：反物质夸克中微子

吕立君

（赤峰学院物理与电子信息工程学院，内蒙古赤峰 024000）

粒子与反粒子

吕立君

（赤峰学院物理与电子信息工程学院，内蒙古赤峰 024000）

微观粒子的种类达数百种之多，每种粒子都有相应的反粒子.本文介绍了正反粒子的夸克谱及其简单性质.

夸克；强子；反粒子；反物质

丰富多彩的物质世界可分成三个层次，宏观物质、微观粒子和宇观物质，还原到微观本源，它们都是由微观粒子构成.我们知道，铁块由铁原子构成，但原子并不是构成物质的最基本单元.原子由原子核和电子构成，原子核又由核子构成，核子仍然不是构成物质的最基本单元.其实人们在研究原子核的结构和运动变化规律时发现了许多粒子，如ve、vμ中微子，K±、K0介子，Λ、∑、Ξ、Ω超子等等，粒子的种类已达数百种之多,这些粒子构成了千变万化的物质世界.随着粒子物理学的发展，对反粒子及反物质的研究和探索也在不断深入.

表1 粒子分类

1 粒子的分类

粒子间的相互作用可归为四类：万有引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用.各种粒子间的相互作用是靠媒介粒子来传递的.电磁相互作用的媒介粒子是光子g，弱相互作用的媒介粒子是中间玻色子W±和Z0，强相互作用又分为基本基本相互作用和剩余作用，基本相互作用的媒介粒子是胶子G，剩余相互作用的媒介粒子是介子（如核子间的作用（π介子）不再是基本相互作用，是剩余效应），引力作用的媒介粒子是引力子g.这些传递相互作用的媒介粒子称规范粒子.主要参与弱相互作用而不参与强相互作用的粒子称轻子，一切参与强相互作用的粒子统称为强子.将粒子按他们间的主要相互作用分类见表1.

迄今为止，直到10-20cm尚未发现轻子有任何内部结构，可认为是基本粒子.而强子并不“基本”，强子有复杂的结构.

2 强子的夸克谱[1]

假定核子是只存在电磁相互作用的点状粒子，狄拉克的理论结果是，质子的磁矩μp是一个核磁子μN，而中子的磁矩为零.在1932年斯特恩测得质子的磁矩为2.79μN，后来又测得中子的磁矩为-1. 91μN，它们远离狄拉克理论的预言，这使人们猜想核子有内部结构.1956年霍夫斯塔夫（R.Hofstadter）用高速电子轰击质子时发现质子的电荷有个分布，电荷半径约为0.7fm，后来又发现中子虽然整体呈中性，但内部却有正电和负电，电荷分布半径约为0.8fm，它们都不是点粒子.1963年盖尔曼等人提出强子是由夸克（quark）组成的模型.夸克模型认为，所有的重子都由三种夸克组成，介子由一种夸克和一种反夸克组成.夸克有六种，分别是上夸克（u）、下夸克（d）、奇异夸克（s）、粲夸克（c）、底夸克（b）和顶夸克（t），这六种夸克被称为带有六种“味道”的夸克.另外，所有的夸克都带有“颜色”量子数，且每种夸克有三种颜色：红、绿、蓝.六味夸克被分为三代，每代夸克之间的质量差别很大，它们的量子特性见表2.目前的实验和理论上认为夸克和轻子是基本粒子，还没有实验证据表明它们具有内部结构，可以看做是点粒子.

表2 夸克（Quark）的量子特性

表3 反夸克的量子特性

夸克有六种“味”，三种“色”，每一种夸克还有相应的反夸克，如总数有36种，它们是“真正”的基本粒子，是构成强子的基本单元.其中分别称为u、d、s、c、t、b的反粒子.部分反夸克的量子特性见表3.

粒子与反粒子的质量、寿命、自旋等量子数相同，但电荷、轻子数、重子数、超荷、IZ、奇异数S等量子数相反.

自从夸克模型提出以来，人们用许多方法寻找自由夸克，至今仍没有找到自由夸克，即所谓夸克禁闭.人们认为夸克间的强相互作用很强，现有的加速器能够达到的能量还不能够把单独夸克打出来，而夸克模型的结果与一系列的实验符合的很好.现在发现的由夸克构成的束缚态（即强子）有数百种之多，这些强子可分为两类：一类是由三夸（qqq）克构成的重子，另一类是由一个夸克和一个反夸克（构成的介子.表4、表5分别列出部分介子和重子的夸克谱[2,3].

表4 介子夸克谱

表5 重子夸克谱

3 反粒子

1928年英国剑桥大学教授保罗·狄拉克通过数学计算，提出电子有两种存在形式，除了有带负电荷的电子外，还有带正电荷的电子.

1932年美国物理学家安德逊应用云室技术研究高能宇宙线时发现，有—种粒子的行为很像是电子，但是弯曲的方向与电子正相反.安德森认为，它是—种带正电的“电子”——正电子（e+），它与电子

质量相等都相同，只是电荷相反.这一实验结果证实了狄拉克关于“反电子”的设想.正电子（）是人类发现的第一个反粒子.1955 年美国人赛格雷和张泊伦在用高能（6.2GeV）质子连续轰击铜靶，发现了反质子（）它带负电，磁矩同自旋方向相反.1956年人们又发现了中子的反粒子——反中子（）.中子不带电但有磁矩，数值为-1.91280核磁子，负号表明同自旋方向相反.反中子与中子的区别是，反中子（）的磁矩是正的，即反中子的磁矩与自旋同方向.1956 年柯万和雷尼斯从裂变反应堆的强中子流中发现了反中微子（），中微子具有自旋，自旋的方向与线动量的方向相反，即左旋中微子，反中微子也具有自旋，自旋的方向与反中微子线动量的方向相同，即右旋中微子.1959 年我国物理学家王淦昌发现了反西格马负超子（），意大利科学家阿马耳基发现反西格马正超子（），20世纪60年代，“基本粒子”中的反粒子差不多全被人们找到了.

表6 粒子与反粒子的性质

一般来说正反粒子是靠其电荷不同相区别的.但电荷只是粒子的一种属性，还用重子数和轻子数等物理量描述的其他属性.粒子与相应的反粒子的质量、寿命、自旋等量子数相同，但电荷、轻子数、重子数、超荷、IZ、奇异数S等量子数相反.费米子和反费米子的内禀宇称是相反的，如、p、n、、∑±,0、Θ-,0、Ω-的宇称是偶性的，而它们的反粒子、的内禀宇称是奇性的.玻色子和反玻色子的内禀宇称是相同的，如和，和，和的内禀宇称都是奇性的.粒子与反粒子的性质见表六.各种强子的详细性质见文献[4]和[5].

4 反物质

粒子实验已证实，正反粒子的强相互作用和电磁作用性质完全一样，因此反质子和反中子能结合成带负电的反原子核，反原子核和反电子结合在一起，就能组成反原子.

欧洲核子研究中心在1995年第一次制造出了反氢原子，但只能存在几个微秒的时间，就与周围环境中的正氢原子相碰并湮灭.2010年欧洲核子研究中心的科学家通过大型强子对撞机，成功制造出少量的“反物质”即少量的反氢原子，并利用特殊的磁场使其存在了“较长时间——约0.17秒”，这是科学家首次成功“抓住”反物质原子.2011年6月5日欧洲核子研究中心的科研人员宣布已成功抓取反氢原子超过16分钟.2011年5月初，中国科学技术大学与美国科学家合作发现迄今最重的反物质粒子——反氦.如果能量足够，无疑将会组成更为复杂的反原子.