夸克囚禁及其诸多疑难(上)
2009-06-11 11:42:22
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作者 苟文俭

1964年,盖尔曼等人研究了强子具有对称存在的多重态后,便提出了强子是由更小粒子组成的假说,并借用爱尔兰小说家乔埃斯的诗句,把组成强子的这个更小粒子就称为了“夸克”。开始,夸克只是作为满足强子对称存在具有多八重态的一种数学构成单位,后来由于把它看成更小粒子在理论解释上不断取得了成功,很多物理学家们便相信,夸克就是构成强子的更深层次的亚粒子。

夸克提出后,但在理论预计可测量的能量范围内,大量实验却一直都没有找到自由夸克,一种解释是说:由于某种原因,夸克只能囚禁在强子内部而不能以自由状态存在;这就是粒子物理学中所说的“夸克囚禁”。

(一)

目前,在量子论的框架内,说明“夸克囚禁”的唯象理论或理论解释的,主要有以下五种。

1、强子结构的袋模型。其描述是用附加边界条件的方法,将夸克束缚在有限的空间区域内。

较成功的是1974年由约翰孙等人提出来的MIT袋模型。该模型认为夸克与胶子在“袋内”满足通常的运动方程,而在袋的表面则有两类边界条件:一类是线性的,它限制了色力线不得穿出袋表面;第二类是二次的,它规定袋内夸克和胶子场对袋表面产生的压力、与袋外部真空对袋表面产生的压力平衡。1975年布达佩斯的一个小组为MIT袋加上了表面张力项,考虑了袋表面的动力学;1978年约翰孙又为它的MIT袋模型找到了一种定域场论的拉氏函数。该模型在解释强子色单态、强子谱及磁矩、弱作用轴矢量与轴矢量耦合常数比等方面都很成功,但它拉氏函数却是不可量子化的。

1975年,斯坦福直线加速器中心的一个小组又提出了SLAC袋模型,但在与实验的符合方面,并没有MIT袋模型好。

李政道在1978年认为,袋模型的实质可以理解为真空存在的两种相,是色介电常数等于零的真空相、包围着色介电常数不等于零的区域,这个区域就是“袋”,他在数学分析中,把色介电常数看成是一种唯象的标量场,在不同极限下,就分别得到了MIT袋模型和SLAC袋模型。

2、强子结构的势模型。描述方法,是用某种等效位势来描述夸克之间的相互作用,通过夸克结合成束缚态(强子)的性质,来理解夸克为什么可以束缚在有限空间区域。

势模型的第一种考虑,是假定夸克质量很重,在强子质心系中运动速度不大,夸克之间的相互作用就可以看成是瞬时的,以此构建出方程再演绎出所需要的结果。势模型的另一种考虑,是采用非相对论论的薛定谔方程来描述介子质心系中夸克的运动。

另外,也还有一些利用量子色动力的考虑设计出来的位势,如把近距离的厍仑势与远距离的线性势用对数势连接起来,就是一例。

3、夸克的弦模型。该模型解释夸克囚禁的具体思想是:组成强子的夸克都是由胶子场形成的弦连结在一起的,每根弦的两端都有一对正反夸克,当外界足够的能量输入若达到把这种弦拉断的程度时,弦的断裂它就会立即在断裂处又产生出了一对正反夸克,因此我们就始终不能观测到单个的自由夸克。

4、点阵规范理论,这是量子色动力学的一种表述方式1974年由威尔孙提出。它具体解释夸克囚禁的思路是:把粒子内的空间看成是“晶格点阵”结构,夸克只能位于点阵的结点上。夸克带有色荷,夸克之间的规范场则是有能量的弦,弦的两端是带相反色荷的夸克;按照规范原理,当夸克对相互分离时,它们之间必然要产生弦来保证每一个点的色荷守恒,分离越远产生弦的能量越大,无限远意未着能量无限大,这是不可能的。因此夸克就决不可能从粒子内部的点阵空间分离出来。

5、红外奴役。这也是量子色动力学中,用夸克远距离耦合强度增强来解释夸克囚禁的一种设想。凯兰和习曼吉克1970年在对量子色动力学的研究中发现:夸克之间的强作用会随距离的减小而逐渐减弱,这即是夸克之间强作用的渐近自由。受此启发,一些理论家就认为夸克之间不可能无限远离,类比可见光的远端是红外线,因此这种现象就称是红外奴役。但这仅仅只是一种理论设想,并没有得到综合逻辑论证。

接《夸克囚禁及其诸多疑难》(下)

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