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夸克,胶子和希格斯场的关系

希格斯场理论,是物理学家彼得.希格斯在1964年提出的。是一种假定遍布于全宇宙的量子场。按照标准模型的希格斯机制,某些基本粒子因为与希格斯场之间相互作用而获得质量。希格斯玻色子是希格斯场的振动。

根据该理论,费米子、W玻色子、Z玻色子因为自身的吸引力,通过希格斯场获得质量,而光子、胶子由于自身没有吸引力,其通过希格斯场的质量为零。希格斯机制应用自发对称破缺来赋予粒子质量。

夸克,胶子和希格斯场的关系

希格斯玻色子

既然有希格斯场,那有没有希格斯物质呢?小编认为有,2003年1月至3月,美国能源部下属的布鲁克黑文国家实验室科学家,利用相对论重离子对撞机(RHIC)进行的一系列实验,其中包括金核与氘核(氘-金)对撞的实验、两束氘核(氘-氘)对撞实验,并与所做的两束金核(金-金)对撞的实验结果作对比分析,发现了呈液体状态夸克胶子等离子体。有可能希格斯物质与夸克胶子等离子体为同一物质。

夸克,胶子和希格斯场的关系

夸克胶子等离子体

按照量子物理基本模型,光子和胶子是没有质量的。上夸克的质量为1.7 to3.3( MeV/c2),下夸克的质量为4.1 to 5.8( MeV/c2)。两个上夸克和一个下夸克组成质子,两个下夸克和一个上夸克组成中子。质子的质量为938百万电子伏特/c²(MeV/c²),即1.672621637(83)×10-27千克,大约是电子质量的1836.5倍,中子的质量为 1.6749286 ×10-27千克(939.56563兆电子伏特),比质子的质量稍大。

夸克,胶子和希格斯场的关系

质子和中子

美国加利福尼亚劳伦斯伯克利国家实验室,通过实验得出:质子的质量9%来源于夸克,32%来源于夸克内部的能量,36%来源于胶子的能量,23%围绕夸克和胶子的相互作用时发生的量子效应。像质子、中子一类复合粒子的质量,只有约1%是归因于将质量赋予夸克的希格斯机制,剩余约99%是夸克的动能与强相互作用的零质量胶子的能量。

可以看出,希格斯机制并不是使用一种奇迹式的“无中生有”方法来生成粒子质量,而是从以能量形式储存质量的希格斯场将质量转传给粒子。为了说明胶子是怎样产生夸克的,目前比较流行的是“通量管”学说(也称橡皮筋学说),当通量管被拉长时,会出现张力,因此将夸克禁闭于强子内部。当通量管被拉到足够长之时,在能量方面,从真空制成一个夸克-反夸克对会比一味地增加通量管长度更为有利,这时,继续拉长通量管可能会导致通量管会断裂,形成一个夸克-反夸克对。

夸克,胶子和希格斯场的关系

夸克胶子结构想象图

相对于夸克,胶子和希格斯物质场的关系,“通量管”学说只是提供了一种可能性。毕竟到目前为止,并没有实验观察到实际的情况,哪怕是间接的。那三者的关系除了“通量管”学说,有没有另外的可能呢?我们可以探讨一下:

在宇宙大爆炸发生时,由于不均匀性,不同部位的能量是不同的。物质的形态也千差万别。通过不断的撞击,摩擦,分解,重组,一部分物质形成了裹挟能量的夸克胶子等离子体。在这液化的物质离子体中,能量以胶子的形态存在,胶子好比一个容量很大的电容,拥有巨大的能量。两端带相同的正电荷和负电荷。所以整体没有吸引力。胶子与等离子体接触时,由于相位差的关系,会产生放电现象。即两端放出相等的正负电荷,与离子体中形成两个带电荷的离子球体。即正反夸克,由于带正负电荷,所以拥有质量。

夸克,胶子和希格斯场的关系

夸克形成想象图

在现实世界中,也有类似的情况出现。比如特斯拉线圈和自然界中难得一见的球型闪电,形成的原理和夸克有可能有许多相似之处。为此,俄罗斯科学家还专门作了这个方面的研究。

据俄《科学信息》杂志报道,俄罗斯科学院圣彼得堡康斯坦丁核物理研究所专家在研究中发现,球状闪电由呈阳性的氢离子和呈阴性的氢氧基离子构成,球状闪电中的这些离子被水汽包裹着,水分子能够阻止两种离子结合到一起,从而使得球状闪电能够存在一些时间。根据这种特点,他们在实验室中制造出了球状闪电。

夸克,胶子和希格斯场的关系

试验室中的球形闪电

在宇宙大爆炸期间,形成了许多夸克胶子等离子体。它们不断地相互撞击,摩擦,分解,重组,会生成了许多带有不同能量的胶子。有的胶子单独生成正负夸克,如W玻色子、Z玻色子等。有的者首尾相连,形成胶子组。现在有发现四个胶子,五个胶子的组合。其中三个胶子的组合最稳定。在地球上发现的只有上夸克和下夸克,其他夸克绝大多数都是在宇宙射线中发现的。质量大的夸克会不断地衰变,直到稳定状态。

夸克,胶子和希格斯场的关系

不同能量的胶子,通过正负相吸的原理组合在一起。在两个胶子的结合部通过放电形成夸克。夸克的电荷大小和电性由相邻的两个胶子决定。夸克通过电荷引起的一系列反应吸引等离子体的物质,形成质量。如果相邻的两个胶子能量相同,则有可能形成光子。光子由于携带正负相反和电荷相等的能量,不具吸引力(由于光子表面具有电离层,是否拥有质量需进一步探讨),即不会有电离层的物质吸附上来。胶子,夸克最稳定的组合就是质子,它的衰变期达130亿年。