目前已知的最小粒子:7个关于“夸克”的奇怪事实

目前已知的最小粒子:7个关于“夸克”的奇怪事实

很小的粒子

夸克是一种不仅看不见,而且几乎无法测量的粒子。这些微小的粒子是亚原子粒子——强子的基础。然而,随着过去50年粒子物理学领域的每一项发现,关于夸克如何影响宇宙发展和最终命运的问题也越来越多。下面是关于夸克的七个奇怪事实。

在宇宙大爆炸之后出现

第一个夸克在宇宙形成后约10^ - 12秒出现,与此同时弱力(在今天弱力是一些放射现象的基础)与电磁力分离。夸克的反粒子大约也在同一时间出现。

在原子加速器中被发现

20世纪60年代,斯坦福线性加速器中心(Stanford Linear Accelerator Center)的研究人员发现,电子之间的散射比计算结果要更远,这引发了一个谜题。随后,更多的研究发现,在这些原子的核子或核心中,至少有三个位置的电子散射比预期的要多,这意味着有某种原因导致了这种散射,而这也正是我们今天理解夸克的基础。

由詹姆斯·乔伊斯提出

默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)是上世纪60年代夸克模型的共同提出者,他从1939年詹姆斯·乔伊斯(James Joyce)的著作《芬尼根的守灵夜》(Finnegan's Wake)中得到了灵感,书中写道:“Three quarks for Muster Mark! / Sure he has not got much of a bark / And sure any he has it's all beside the mark.”(这本书早在夸克被发现之前就出版了,所以它们的名字一直都是这样拼写的。)

有不同的“味”

物理学家把不同类型的夸克分为不同的味(在粒子物理学中,味即基本粒子的种类):上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。这些夸克的味之间最大的区别在于它们的质量,但也有一些因电荷和自旋而异。例如,虽然所有夸克的自旋都是1/2,但其中三个(上夸克、粲夸克和顶夸克)带着2/3的电荷,另外三个(下夸克、奇夸克和底夸克)带着- 1/3的电荷。夸克在一开始以一种味的状态出现并不意味着它会一直保持同一种味;下夸克可以很容易转变为上夸克,粲夸克也可以转变为奇夸克。

很难测量

乔治亚州立大学的一篇入门课程指出,夸克无法被测量,因为在被单独观察到之前,观察所需的能量会产生一种反物质等价物(称为反夸克)。所以夸克的质量最好通过一些技术来确定,比如使用超级计算机来模拟夸克和胶子之间的相互作用(胶子是把夸克粘合在一起的粒子)。

让我们更了解物质

2014年,研究人员首次观察到了粲夸克衰变为其反粒子,这为科学家们提供了更多关于物质行为的信息。因为粒子和反粒子理应会互相毁灭,所以有人会认为宇宙应该只会剩下光子和其他基本粒子,然而,反光子和反粒子仍然存在,这也就引出了为什么宇宙主要由物质而非反物质构成这个谜题。

可能决定宇宙的命运

确定顶夸克的质量可能会向研究人员揭示两种可怕情景中的某一个:宇宙可能在100亿年之后终结,或者人类可能是凭空出现的。如果顶夸克比预期的要重,那么穿过真空的能量就会坍塌。如果它的质量低于预期,一个叫做“玻尔兹曼大脑”的令人难以置信的场景可能会出现,随机的原子集合可能会组成一个有自我意识的实体。(虽然这不是标准模型的一部分,但该理论——作为一个悖论框架——认为,它更有可能会看到有组织的原子群,就像宇宙中观察到的那些随机原子群一样。)


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