夸克能單獨存在嗎？

作者：由子乾發表于體育時間：2019-11-23

先上結論：

夸克不能單獨存在

。這涉及到夸克物質的一個非常重要的性質：

夸克禁閉（quark confinement）

。

1、實驗中的夸克禁閉

既然夸克不能單獨存在，那麼夸克的存在形式是什麼樣的呢？實際上，夸克主要是成雙成三的存在：一個正夸克和一個反夸克構成一個

介子

，或者三個（反）夸克構成一個

重子

。重子和介子統稱為

強子

。我們熟知的

質子

和

中子

就屬於重子。質子是由兩個上夸克一個下夸克構成的，中子是由一個上夸克和兩個下夸克構成的。除此之外，也可能有超過三個夸克構成的強子，即所謂的多夸克態。

強子示意圖。左上：重子；左下：介子；右二：多夸克態（來源：https：//motls。blogspot。com/2015/07/pentaquark-discovery-claimed-by-lhcb。html）

既然夸克存在於強子中，那直接把夸克從強子裡分離出來不就好了嘛？就好像把電子從原子中分離出來？

想象一下，把介子中的兩個夸克分離開來。在這個過程中，需要給系統輸入能量。這個可以用引力說明：把地球上的物體和地球分開，需要給這個物體輸入能量，比如用火箭，才能把它發射出去。然而對於介子中的夸克，實際發生的情況是，當介子中的兩個夸克被扯斷時，給系統輸入的能量足夠能從真空中再激發兩個新的夸克，這兩個新的夸克會和被分離的兩個夸克分別結合，最終就是由一個介子變為兩個介子。還是沒有單獨的夸克被分離出來。實際發生的過程如下圖所示：

（來源：https：//webific。ific。uv。es/web/en/content/lattice-qcd-numerical-approach-strong-force）

當然，上面這個過程是一個腦洞示意圖，真正的實驗是進行粒子對撞實驗，比如質子質子對撞，既然要看質子的夸克，把質子撞碎是最直觀的辦法了。上面提到，質子中有上夸克和下夸克，上夸克的電荷是

$\frac{2}{3}$

倍單位電荷，下夸克是

$-\frac{1}{3}$

單位電荷。但是，在對撞實驗中，從來也沒有在探測器中看到過這種帶分數倍電荷的粒子。不僅在對撞實驗中，包括宇宙線探測在內的任何高能物理實驗都沒有直接探測到過和夸克的屬性（包括電荷、質量等）相同的粒子。因此，從實驗上就可以總結出夸克不能單獨存在。

那麼強子中的夸克是怎麼樣的存在形式呢？以質子為例，這個一般是透過電子-質子散射實驗來確定的。電子的質量是質子質量的

$\frac{1}{2000}$

，透過把高能電子打入質子內部，和質子內部的夸克（還有其它成分，即膠子）進行相互作用，透過分析結果反推質子內部結構。

電子-質子散射實驗示意圖

實驗發現，在低能下，質子基本上就是由三個夸克構成的，也就是上面說的兩個上夸克和一個下夸克，這三個夸克之間有著強烈的相互作用。然而在高能量下，質子內部就變得非常豐富了，不僅有三個夸克，還有大量從真空中激發出來的正反夸克對和膠子，然而奇怪的是，這些夸克膠子之間的相互作用非常的弱，就好像是相互獨立的存在。

也就是說，高能量下，強子中夸克之間的相互作用非常弱，近似自由存在。

2、理論中的夸克禁閉

那麼夸克禁閉能從理論上解釋嗎？實際上，目前並做不到完全的理論解釋，描述強相互作用的理論叫做

量子色動力學

，原則上，一切有關強相互作用的現象都是可以透過這個理論得到，但是遺憾的是，這個理論非常複雜，尤其是在低能量下，我們還做不到對這個理論進行嚴格求解。然而，夸克禁閉就是在低能下的一個現象，因此，目前還無法透過量子色動力學直接得到夸克禁閉。但是，透過研究高能下量子色動力學的行為，我們發現了夸克物質在高能下的一個行為，

漸進自由

，這個現象給出了一個可能解決夸克禁閉問題的可能。

夸克之間的相互作用的強度可以用一個引數（後面用

$\alpha$

）來表示，

$\alpha$

越大，相互作用越強，反之則越小。研究發現，

$\alpha$

會隨著能量的變化而變化，實際上，會隨著能量的增加而降低，如下圖所示

夸克相互作用強度（縱座標）隨著能量（橫座標）的增加而降低

也就是能量越高，夸克之間的相互作用越弱。這個就和上一節電子-質子散射的實驗結果相符合了。當然，這個結果是在能量比較高的時候得到的，並不適用低能。然而，這樣的行為不禁讓我們想象，在低能下，夸克之間的相互作用非常之強，強到無法被從強子中單獨分出來。

量子色動力學的漸進自由的這個行為是由美國科學家格羅斯（David Jonathan Gross，1941- ）、波利茨（Hugh David Politzer，1949- ）、威爾茨克（Frank Wilczek，1951- ）在1973年發現的，也正是因為這個發現，才建立了量子色動力學，他們也因此獲得了2004年的諾貝爾物理學獎。

當然上面說的這些都比較抽象，那麼夸克之間的力能否有更直觀的展現呢？對於引力或者電磁力，我們有一個直觀的感受，就是它們都是隨著距離的增加而減小的而逐漸到零，但是夸克之間的力並沒有這麼簡單。考慮兩個非常重的夸克，那麼這兩個重夸克的勢能隨著距離的變化如下圖所示：

兩個重夸克之間的等效作用勢能。其中r0=0。5fm。

上面夸克之間的勢能關係叫做“

康奈爾勢

”。勢能對距離的導數即為力，也就是說上圖中曲線的斜率對應著力的大小。可以看出，在距離比較小時，夸克之間的相互作用力較大，隨著距離增大，斜率降低，即夸克之間的力減小，然而，這個力並沒有持續減小，大於一個值時（上圖橫座標大約為0。5時），斜率不再發生變化，也就是在夸克之間的新引力不再隨著距離的增大而減小。因此，如果想把這兩個夸克分開，就需要不斷的輸入能量。

在量子理論中有一個簡單的對應：距離和能量成反比，即距離越小，對應的能量越高，距離越大，對應的能量越低。