Color-charged Quark Matter in Astrophysics

a r X i v :a s t r o -p h /0608272v 1 13 A u g 2006

Color-charged Quark Matter in Astrophysics?

Congxin Qiu 1,Renxin Xu 2

1

School of Space and Earth Sciences,Peking University,Beijing 100871;o o@https://www.sodocs.net/doc/6c18112034.html,

2

School of Physics,Peking University,Beijing 100871;r.x.xu@https://www.sodocs.net/doc/6c18112034.html,

(Dated:February 5,2008)

Color con?nement is only a supposition,which has not been proved in QCD yet.It is proposed here that macroscopic quark gluon plasma in astrophysics could hardly maintain colorless because of causality.The authors expected that the existence of chromatic strange quark stars as well as chromatic strangelets preserved from the QCD phase transition in the early universe could be unavoidable if their colorless correspondents do exist.

PACS numbers:12.38.Aw,12.38.Mh,97.60.Jd,98.80.Cq

The elementary strong interaction is believed to be recognized by two distinct features:asymptotic freedom and color con?nement.Though Politzer [1]and Gross and Wilczek [2]proved asymptotic freedom in Quan-tum Chromodynamics (QCD),QCD in nonperturbative regime is still unsolved and becomes one of the top chal-lenges for physics today.Nambu [3]discussed the possi-bility of color con?nement since the QCD vacuum is sup-posed to be a condensation of virtual quark–antiquark pairs and gluons.In the strong coupling approxima-tion,lattice gauge calculation shows that the QCD po-tential is linear in the infrared region [4].Certainly,we have never found a chromatic particle in an accelerator experiment.However,unfortunately,all that evidences mentioned above should not be enough to convince us a strictly hold nature of color con?nement,since infrared and ultraviolet regions could be separated by one or more discontinuous phase transitions [4].

The special QCD vacuum may probably explain the color-singlet of particles in the high energy experiments.Color-charged quarks,exchanging madly gluons,are sup-posed to be con?ned in color-neutral hadrons (baryons or mesons)with others.When one of the quarks in a given particle is “pulled”away from its neighbors,it would be energetically favorable for the virtual quark–antiquark pairs to become valency and to keep the hadrons in sin-glet states again.However,things would be much di?er-ent in case of a huge bulk of astrophysical quark gluon plasma.Let’s consider a bulk of quark matter which is initially colorless.It should evaporate or split if it has to reduce its volume for certain reasons.In case of evap-orating particles (e.g.,baryons or mesons),color-singlet might keep easily since this evaporation could be consid-ered as a local process [21].But in the splitting process,it could be hard for us to believe that every splitting pieces happen to be colorless because,in this non-local case,the time needed for transforming information (even as fast as light)from one part of the bulk to the other should not be negligible (Fig.1).

There is a great di?erence between electroneutral and colorless states.An electrically charged body may dis-charge via ejecting electrons or operating virtual e ±pairs in the vacuum.How about chromatic quark matter?Note that the QED vacuum is screening,while the QCD

FIG.1:An illustration of splitting a large bulk of quark mat-ter.If a red quark in the center (labelled as “R ”)wants to decide which way to go,it should be able to count instan-taneously the color-charges of quarks in at least one side in order to keep the divided two parts in color-singlet states.It could then be very di?cult to maintain color-singlets of the splitting pieces in a macroscopic scale.

vacuum is anti-screening.It might be energetically fa-vorable for chromatic quark matter to locally excite and eject color-singlet particles,and the color-charge keeps then.The interaction between chromatic bulks of quark matter might only be in very short distance if single color-gluon interchange is not allowed since mesons or glueballs as intermediate particles are very massive.All the obser-vations above could show us that it would be hard for chromatic quark matter to drop its color o?unless by random collision.

If color con?nement is not exactly hold,chromatic quark matter could be in an extremely high energy scale,which should be too high for nowadays accelerators to achieve.Surely,the energy scale would be hard to esti-mate in the framework of quantum ?eld theory since the matter is in a non–local and bound state.We have then tried two phenomenological models [5]to make sense of

this.In the?rst model,we considered a bulb in a color

dia–electric medium[6]which has color dielectric con-stant less than one.The bulb can change its radius to

minimize its total energy.And in the second model,we simply laid up a lot of color dipoles in the vacuum and

calculate their respondence for a valance color charge in the center.Both the models show us that the minimum

energy scale,U min,for exciting chromatic quark matter should depend on the radius,R,of the bulk,with a likely

relation of U min?const·1/R.The constant in this re-lation can be estimated if we pay attention to the fact

that no accelerator(which have a energy scale of about 100GeV)is powerful enough to create a chromatic par-

ticle(which have a typical radius of about1fm).The constant could then be greater than～10?10MeV·m. It is observed then that color con?nement can only be hold exactly only if the constant is in?nity.Therefore, the conclusion could be:if color con?nement is exactly hold for microscopic particles(～1fm),it is also exactly hold for a bulk of quark matter;but if it is just approx-imately hold,to create a bulk of chromatic quark matter is much easier(i.e.,to need lower energy)than to create a chromatic microscopic particle.

The?rst implication of chromatic quark matter could

be of splitting strange stars.Strange stars are poten-tial candidates for the nature of pulsar-like stars([7,8], see[9]for a review).They are a kind of fermion stars, which are bound by strong interaction(and gravity if stel-lar masses approach the maximum limit)and are in fact large bulks of quark gluon plasma.There could be two conceivable channels to split bulk quark matter:merge of binary strange stars and supernova explosion.It is very uncertain to calculate the former process,and we then think about the later one only as following.

Based on the kick velocity,v k,of pulsars,which we choose1000km·s?1as an upper limit[10],the kinematic energy scale of supernova explosion can be estimated. Assuming an equipartition rule for stellar rotational en-ergy and kick energy,we could then estimate the critical condition for splitting a strange star[5].The relation between spin frequency and equilibrium shape of a liquid star was given by Maclaurin in the framework of Newto-nian gravity,with a equation[11]of

?2=2πGρ √e3(3?2e2)arcsin e?3(1?e2)

of the early Universe.In the standard model[17],a ?rst-order QCD transition leads to bubble nucleation. Bubbles of quark–gluon plasma form during the tran-sition.In case of homogeneous nucleation,the mean distance of nucleation,d nuc,could be<2cm,while the value of d nuc may be several meters in the case of het-erogeneous nucleation[18].The strangelets proposed by Witten[19]seems unlikely since that suggestion needs d nuc 300m[17].However,things could be much dif-ferent if chromatic strangelets were created during cos-mic QCD phase-transition.As we have mentioned,it could be energetically favorable to exist huge bulk of chromatic quark matter since U min∝R?1.In this sense, the hadronization of chromatic quark nuggets could not be very e?ective and may still be residual today.

Let’s estimate roughly the number density of such strangelets in the Universe,assuming that all the strangelets take color-charges and could https://www.sodocs.net/doc/6c18112034.html,t-tice gauge calculations shows us that the QCD phase transition occurs at a temperature of T c=170MeV[17]. Using the relation of“a(t)·T(t)=const”for radiation ?eld in the expanding Universe,where the scale factor a(t)and the temperature T(t)are function of cosmic time t,and choosing d nuc=2cm and T(today)=2.73K of cosmic microwave background,we obtain a number den-sity of～(0.1AU)?3in today’s Universe.

It is not easy to estimate the mass of that kind of strangelets since one can not have a believable method to calculate the total energy of chromatic quark matter.

A possible restriction for the mass could be obtained by noting that the total mass of these strangelets should be lower than that of dark matter.If we choose the Hubble constant H0=72km·s?1·Mpc?1and assume that25%of the total energy density of the Universe is in the form of dark matter in the concordance model[17],we could have an upper limit of the strangelets’mass:m s 7.4×106g.The radius of strangelets with mass of～106g is about 10?3cm.It is possible that such strangelets,which are

lighter than asteroids,are wandering in our solar sys-tem,but we can hardly observe them since they seems

to contribute only gravitational interaction in the space. Nevertheless,these strangelet bummers may have had

signi?cant consequence during the early Universe(e.g., the period of galaxy formation).

Is there any experimental feature of chromatic quark matter?This is really an interesting question to be an-

swered by future more investigations.Similar to the Schwinger process[20]of the QED vacuum polarization

by a prescribed electromagnetic?eld,a highly color-charged quark matter may radiate colorless hadrons in

the nearby polarized QCD vacuum,but could become more and more di?cult and may?nally stop when its

mass decreases to a critical value due to the fact of U min∝1/R.A particularly fascinating process could be that a chromatic relativistic strangelet goes into the Earth’s atmosphere.It may absorb nucleons at?rst, and then its temperature increases to be high enough

to evaporate hadrons.The character of its atmospheric shower depends on the detail interactions,which is cer-tainly model-dependent.Are some cosmic events(e..g., the ultra-high energy cosmic rays)related to chromatic strangelets?We can not know at this time.

Let’s summarize brie?y our opinion.Chromatic

strange quark stars as well as strangelets could be un-avoidable if their colorless correspondents do exist,but evidence for color-charges might hardly be obtained nowadays.We suggest that color con?nement would not be hold exactly in the nature.

This work is supported by NSFC(10573002)and the

Key Grant Project of Chinese Ministry of Education (305001).It is also part of the thesis by one of the au-thors(Congxin Qiu).

[1]Politzer H D1973Phys.Rev.Lett.301346

[2]Gross D J and Wilczek F1973Phys.Rev.Lett.301343

[3]Nambu Y1974Phys.Rev.D104262

[4]Cheng T–P and Li L–F1984Gauge Theory of Elemen-

tary Particle Physics(Oxford:Clarendon)p322–335 [5]Qiu C X2006Thesis for bachelor degree(in Chinese)

https://www.sodocs.net/doc/6c18112034.html,/thesis/06_06_pulsar.pdf [6]Lee T D1981Particle Physics and Introduction to Field

Theory(Chur:Harwood)p391–405

[7]Haensel P,Zdunik J L and Schaefer R1986A&A160

121

[8]Alcock C,Farhi E and Olinto A1986ApJ310261

[9]Xu R X2006Chin.J.A&A,Proceedings of The2005

Lake Hanas International Pulsar Symposium,in press (astro-ph/0512519)

[10]Hansen B M S and Phinney E S1997MNRAS291569[11]Chandrasekhar S1969Ellipsoidal Figures of Equilibrium

(New Hevan:Yale)p89

[12]Chandrasekhar S1970ApJ161561

[13]Chandrasekhar S1970ApJ161571

[14]Woosley S and Janka T2005Nature Physics1471

(astro-ph/0601261)

[15]Xu R X2006Astropart.Phys.25212

[16]Wolszczan A and Frall D A1992Nature355145

[17]Boyanovsky D,de Vega H J and Schwarz D J2006Ann.

Rev.Nucl.Part.Sci.in press(hep-ph/0602002)

[18]Christiansen M B Madsen J1996Phys.Rev.D535446

[19]Witten E1984Phys.Rev.D30272

[20]Schwinger J1951Phys.Rev.82664

[21]Note that QCD is a local gauge theory,and color con-

?nement would then be a local concept.

没有人看见过夸克

如果存在两个都和观测相符的模型，正如金鱼（眼中）的图像和我们（眼中）的图像，那么人们不能讲这一个比另一个更真实。在所考虑的情形下，哪个更方便就用哪个。 从金鱼的视角看 几年前，意大利蒙札市议会禁止宠物的主人把金鱼养在弯曲的鱼缸里。提案的负责人解释此提案的部分理由是，因为金鱼向外凝视时会得到实在的歪曲景色，将金鱼养在弯曲的缸里是残酷的。 然而，我们何以得知我们拥有真正的没被歪曲的实在图像？难道我们自己不也可能处于某个大鱼缸之内，一个巨大的透镜扭曲我们的美景？金鱼的实在的图像和我们的不同，然而我们能肯定它比我们的更不真实吗？ 金鱼的实在图像和我们自己的不同，但金鱼仍然可以表述制约它们观察到的在鱼缸外面物体运动的科学定律。例如，由于变形，我们观察到的在一根直线运动的一个自由物体会被金鱼观察成是沿着一根曲线运动。尽管如此，金鱼可以从它们变形的参考系中表述科学定律，这些定律总是成立，而且使它们能预言鱼缸外的物体的未来运动。它们的定律会比我们参考系中的定律更为复杂，但简单性只不过是口味而已。如果一条金鱼表述了这样的一个理论，我们就只好承认金鱼的风景是实在的一个正确的图像。 2010年6月20日，加拿大滑铁卢，霍金造访圆周理论物理研究所（Perimeter Institute），发表了关于生命和时光研究的演讲。 哥白尼对，托勒密错？ 托勒密（约公元85年-约公元165年）在公元150年左右提出一个描写星体运动的模型，这是一个实在的不同图像的著名例子。托勒密的研究发表在一部十三册的论文中，这部论文通常以阿拉伯文题目《天文学大成》而众所周知。《天文学大成》从解释为何认为地球是一个球形的静止的位于宇宙中心，并与星空的距离相比是小到可以忽略开始。虽然阿利斯塔克提出日心模型，但至少自亚里士多德时代开始，大多数希腊有教养的人都持有这些信仰，亚里士多德由于神秘的原因相信地球应该是位于宇宙的中心。 天主教会采用托勒密的宇宙模型当作正式教义达十四世纪之久。直至1543年，哥白尼才在他的著作《天旋论》中提出一个另外的模型。虽然他已花了几十年来研究此理论，该书在他逝世那年才出版。正如大约早十七世纪的阿利斯塔克，哥白尼描写其中太阳处于静止，而行星以圆周轨道围绕着它运转的一个世界。尽管这个思想并不新，其复活却遭到激烈的抵制。哥白尼模型引起关于地球是否静止不动的狂烈辩论。这个辩论于1633年因伽利略受到异端审判而达到高峰。 那么，托勒密系统或哥白尼系统，哪个是真实的？尽管人们时常说哥白尼证明了托勒密是错的，但那不是真的。正如在我们的正常观点和金鱼的观点相比较的情形下，人们可以利用任一种图像作为宇宙的模型，对于我们天空之观测，既可从假定地球处于静止，也可从假定太阳处于静止得到解释。尽管哥白尼系统在有关我们宇宙本性的哲学辩论中的作用，然而它的真正优势是在太阳处于静止的坐标系中，运动方程要简单得多。 他人梦中的想象物 在科幻影片《黑客帝国》（Matrix）中发生了不同类型的另外实在。影片中的人类不知不觉地生活在由智慧电脑制造的模拟实在之中，当电脑将他们的生物电能（不管为何物）吸吮时，使他们保持平静而满意。这也许没那么牵强，因为许多人宁愿在网络的虚拟实在中消磨时日，例如“第二人生”。 我们何以得知，我们不仅是一部电脑制作的肥皂剧中的角色呢？如果我们生活在合成虚世界中，事件就不必具有任何逻辑或一致性或服从任何定律。进行操控的外星人也许在看到我们反应时会觉得更有趣更开心，例如如果满月分开两半，或者在这世界上每个节食的人显示对香蕉奶油饼的毫不节制的渴望。但是如果外星人实施一致的定律，我们就无法得知在这模拟

浅谈现代粒子物理前沿问题_夸克_胶子等离子体

［摘要］夸克－胶子等离子体是当今粒子物理领域的重要研究课题，它不仅能揭示微观粒子的物理性质，还能帮助人们认识宇宙的演化过程。本文对夸克－胶子等离子体的研究现状进行了概述。［关键词］夸克－胶子等离子体；高能重离子碰撞浅谈现代粒子物理前沿问题———夸克－胶子等离子体 傅永平 郗勤 （临沧师范高等专科学校数理系，云南临沧 ６７７０００） 1研究夸克-胶子等离子体的科学意义 按照目前的实验观测结果，已知的物质最小构成单元是夸克和轻子，比如质子和中子就是由上夸克和下夸克组成的三夸克色禁闭束缚态，而介子则是双夸克色禁闭束缚态。我们熟知的电子就是轻子的一种。如果用质量来标度，夸克和轻子可以分为三代，每一代有２种夸克和轻子，其中夸克包括上夸克、下夸克、奇夸克、璨夸克、顶夸克和低夸克，轻子包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子和τ子中微子。 夸克－胶子等离子体是区别于强子的一种新的物质形态，夸克不再是以强子型的双夸克或三夸克色禁闭束缚态形式存在，夸克－胶子等离子体中的夸克是色相互作用渐近自由的，夸克与夸克之间，夸克与多夸克之间存在自由的色相互作用，这是一种多体夸克凝聚的新物质形态。 宇宙大爆炸初期宇宙的温度约为１０２８ ｅＶ，按照标准模型，当时可 能存在的物质只有轻子和夸克，此时夸克的色自由度是解禁的，就会形成夸克－胶子等离子体。之后随着宇宙不断膨胀，温度下降到１００ＭｅＶ时，夸克物质发生对称性破缺，开始冻结成为质子和中子。从夸克物质演化的意义来讲，研究夸克－胶子等离子体不仅对基本粒子物理研究意义重大，而且对于宇宙演化的研究来讲也具有重要意义。 2实验概况 实验表明，高能重离子碰撞有可能产生核子的多重碰撞，使能量主要集中在质心附近。也即一个核的核子有可能和另一个核的不同核子发生多次碰撞，而不是仅发生一次碰撞便飞离质心区域，这样在一个很短的驰豫时间内，能量可以集中在质心附近，从而产生夸克－胶子等离子体。为更好地解释在高能重离子碰撞过程中，能量如何主要聚集在质心附近，引入核阻塞能力的概念，它表征重离子碰撞过程中一个入射核子与另一个核碰撞时所受到核物质的阻塞程度，如果多重碰撞程度越高，阻塞能力也就越大，出射核子所携带的能量就越小，那么聚集在质心附近的能量就越高，也就越容易产生夸克－胶子等离子体。多重碰撞及核阻塞能力的研究，在高能重离子碰撞产生夸克－胶子等离子体方面具有重要作用。 实验物理学家们正在尝试着利用高能重离子碰撞实验装置，把物质的温度和密度在一个很小的时空区域内提升到大爆炸的初始阶段，即把“历史”退回到存在自由夸克物质的宇宙初期。美国布鲁海文国家实验室（ＢＮＬ）的相对论重离子对撞机（ＲＨＩＣ）能够将金原子核加速到每核子１００ＧｅＶ，碰撞的质心系能量可达３９．４ＴｅＶ。 此外，欧洲核子研究中心（ＣＥＲＮ）的大型强子对撞机（ＬＨＣ）可以把铅原子核加速到每核子２．７６ＴｅＶ的质心系能量。那么碰撞的质心系能量可达到５７４．０８ＴｅＶ。未来ＬＨＣ的质心系能量还将提升到每核子５．５ＴｅＶ，碰撞的质心系能量将达到１１４４ＴｅＶ。ＲＨＩＣ能将金原子核加速到光速的９９．９５％，核粒子束迎头相撞时，每秒钟将会出现上千次的碰撞，每一次碰撞都能在相撞点上产生很高的温度，大约能产生超过１０１２Ｋ的温度，这相当于太阳温度的１万倍。 3探测夸克-胶子等离子体 夸克－胶子等离子体一旦产生就会迅速冷却膨胀，所以其寿命是很短暂的。对于实验物理学家而言，观察其冷却过程中的粒子产生才是观测夸克－胶子等离子体的有效途径。夸克－胶子等离子体在冷却过程中将有大量新粒子产生，其中包括光子、轻子和夸克碎裂产生的强 子。标准模型预言，夸克－胶子等离子体的粒子产生多重数将远大于核子－核子深度非弹性散射的粒子产生，所以通过比较实验结果和理论预言将成为又一检验标准模型正确与否的关键。 如何观测夸克－胶子等离子体不仅是实验关心的问题，也是理论研究的热点。比如研究夸克－胶子等离子体的动力学特征。而要了解它，就必须依赖于从中心区域出射的、且未被其损坏的粒子。这些粒子的最佳候选者就是光子和轻子，因为光子和轻子只参与电磁相互作用和弱相互作用，它们都不会与夸克物质发生强相互作用，对于以强相互作用为主导的过程而言，它们几乎可以不受阻碍地从碰撞中心区域出射并被探测器捕捉到，所以光子和轻子都可以携带中心区域夸克物质的动力学信息，通过研究它们便可以了解自由夸克物质的动力学特征及规律。 在高能重离子碰撞过程中有以下三种主要的光子产生源，首先是初始冷组分部分子碰撞产生的快光子，它们包括夸克、胶子之间的湮灭和康普顿过程产生的直接光子，还包括由末态部分子在真空中碎裂产生的光子。还有喷注通过热媒介时，与热部分子相互作用也会产生光子。由于初始部分子碰撞过程中的转移动量很高，强相互作用跑动耦合常数小于１，这些光子的产生机制可以利用微扰量子色动力学和量子电动力学来处理。此外，在热夸克物质的平衡相中，热光子将由热夸克和热胶子的湮灭和康普顿过程产生，由于夸克－胶子等离子体的热光子主要集中在低横动量区域，所以微扰论很难处理。 只能依靠有限温度场论以及有效热质量截断等技术来解释夸克－胶子等离子体的热光子产生。最近，有的学者提出了一种新的理论来解释热光子的产生机制，称为共形反常。在夸克－胶子等离子体中存在共形不变对称性的破缺，这种破缺机制直接导致了色单态热部分子之间的相互作用产生热光子。光子产生的最后一个主要来源是碰撞演化末态的强子物质，热强子气体之间主要通过介子相互作用产生热光子，其中介子主要是轻介子，目前关于强子气体模型已经把奇异介子也包含进来了。来自ＲＨＩＣ的ＰＨＥＮＩＸ实验组和ＬＨＣ的ＣＭＳ实验组得到的光子实验数据能较好地与理论计算结果相吻合。 对于高能重离子碰撞中双轻子的产生机制，与光子产生过程完全类似，只需要将实光子变换为虚光子即可，因为双轻子主要由虚光子衰变而来。理论表明来自于夸克－胶子等离子体的热双轻子在低不变质量区域产率最大，但是热双轻子在这个区域的贡献被众多的强子衰变谱所掩盖，热双轻子唯一占主导的区域是在中间不变质量区域。但中间不变质量区域的双轻子数据同样能用粲粒子衰变来解释。不过来自ＮＡ６０实验组的数据表明较之粲粒子衰变谱，中间不变质量区域的双轻子数据有一个抬高，这个抬高有可能是来自热双轻子的贡献。 除此之外，对于ＲＨＩＣ的双轻子实验而言，仍存在着不少公开问题。其中之一就是低横动量双轻子数据在低不变质量区域较之强子衰变的理论预言有一个２到３倍的抬高现象。这种抬高现象可以通过热媒介中矢量介子由于手征部分恢复而发生质量移动来部分地得到解释，但仍无法完全解释抬高现象。最近，ＰＨＥＮＩＸ实验组得到的高横动量双轻子不变质量谱也存在实验值高于现有理论预言的抬高现象。来自热双轻子的贡献仍无法解释现有数据。 4小节 本文就目前粒子物理的前沿热点，夸克－胶子等离子体，进行了概述。现有的夸克－胶子等离子体的光子产生实验数据能够与理论计算结果较好地吻合，但是双轻子产生的实验数据在理（下转第４２页）

第四章 第六节 第七节

第六节核能利用 第七节小粒子与大宇宙 [学习目标] 1.了解裂变反应堆的工作原理.2.了解核电站和核能利用的优缺点.3.了解小粒子和大宇宙间的空间跨度和时间跨度. 一、核反应堆及核电站 1.核电站是利用核能发电，它的核心设施是反应堆，核反应堆是人工控制链式反应的装置，它主要由以下几部分组成： (1)燃料：铀棒. (2)减速剂：铀235容易捕获慢中子发生反应，采用石墨、重水作减速剂； (3)控制棒：采用在反应堆中插入镉棒的方法，利用镉吸收中子的能力很强的特性，控制链式反应的速度. 2.工作原理 核燃料裂变释放能量，使反应区温度升高. 3.能量输出 利用水或液态的金属钠等流体在反应堆内外循环流动，把反应堆内的热量传输出去，用于发电，同时也使反应堆冷却. 4.核污染的防护与处理 在反应堆的外面需要修建很厚的水泥层，用来屏蔽裂变产物放出的各种射线.核废料具有很强的放射性，需要装入特制的容器，埋入深地层来处理. [即学即用]判断下列说法的正误. (1)核反应堆是通过调节中子数目以控制反应速度.(√) (2)核反应堆用过的核废料无毒无害.(×) 二、小粒子和大宇宙 1.从小粒子到大宇宙——空间跨度 (1)对宇宙的时空结构、运动形态和物质演化的理论描述，称为宇宙模型. (2)大爆炸宇宙模型：大约150亿年前突然发生一次大爆炸，其后逐渐诞生出恒星、星团、脉冲星、超新星、黑洞以及被称作类星体的遥远发光体等，经历150亿年演化成今天的宇宙世界. (3)人类所能研究的物质世界的空间尺度：约从10－15 m到1027m，共跨越了约42个数量级. 2.从粒子寿命到宇宙年龄——时间跨度 (1)宇宙的年龄的数量级：1018s. (2)微观粒子的最短寿命：10－25s.

夸克

一、基本介绍 夸克（英语：quark，又译“层子”或“亏子”）是一种基本粒子，也是构成物质的基本单元。夸克互相结合，形成一种复合粒子，叫强子，强子中最稳定的是质子和中子，它们是构成原子核的单元。由于一种叫“夸克禁闭”的现象，夸克不能够直接被观测到，或是被分离出来；只能够在强子里面找到夸克。就是因为这个原因，我们对夸克的所知大都是来自对强子的观测。（一个质子和一个反质子在高能下碰撞，产生了一对几乎自由的夸克。） 二、基本特征 夸克有着多种不同的内在特性，包括电荷、色荷、自旋及质量等。在标准模型中，夸克是唯一一种能经受全部四种基本相互作用的基本粒子，基本相互作用有时会被称为“基本力”（电磁、引力、强相互作用及弱相互作用）。夸克同时是现时已知唯一一种基本电荷非整数的粒子。夸克每一种味都有一种对应的反粒子，叫反夸克，它跟夸克的不同之处，只在于它的一些特性跟夸克大小一样但正负不同。 提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——Quark组成的。它们具有分数电荷，是基本电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。遵循“渐近自由”原理。 三、分类 我们知道夸克有六种，夸克的种类被称为“味”，它们是上、下、粲、奇、底及顶。上及下夸克的质量是所有夸克中最低的。较重的夸克会通过一个叫粒子衰变的过程，来迅速地变成上或下夸克。粒子衰变是一个从高质量态变成低质量态的过程。就是因为这个原因，上及下夸克一般来说很稳定，所以它们在宇宙中很常见，而奇、粲、顶及底则只能经由高能粒子的碰撞产生（例如宇宙射线及粒子加速器）。 参见：标准模型 标准模型是描述所有已知基本粒子的理论框架，同时还包括希格斯玻色子。此模型包含六种味的夸克（q）：上（u）、下（d）、奇（s）、魅（c）、底（b）及顶（t）。夸克的反粒子叫反夸克，在对应的夸克符号上加一横作为标记，例如u代表反上夸克。跟一般反物质一样，反夸克跟对应的夸克有着相同的质量、平均寿命及自旋，但两者的电荷及其他荷的正负则相反。夸克的自旋为?2，因此根据自旋统计定理，它们是费米子。它们遵守泡利不相容原理，即两个相同的费米子，不能同时拥有相同的量子态。这点跟玻色子相反（拥有整数自旋的粒子），在相同的量子态上，相同的玻色子没有数量限制。跟轻子不同的是，夸克拥有色荷，因此它们会参与强相互作用。因为这种夸克间吸引力的关系，而形成的复合粒子，叫做“强子”（见下文强相互作用与色荷部份）。 在强子中决定量子数的夸克叫“价夸克”；除了这些夸克，任何强子都可以含有无限量的虚（或“海”）夸克、反夸克，及不影响其量子数的胶子。强子分两种：带三个价夸克的重子，及带一个价夸克和一个反价夸克的介子。最常见的重子是质子和中子，它们是构成原子核的基础材料。我们已经知道有很多不同的强子（见重子列表及介子列表），它们的不同点在于其所含的夸克，及这些内含物所赋予的性质。而含有更多价夸克的“奇特重子”，如四夸克粒子（qqqq）及五夸克粒子（qqqqq），目前仍在理论阶段，它们的存在仍未被证实。 （图片解释：标准模型中的粒子有六种是夸克（图中用紫色表示）。左边的三列中，每一列构成物质的一代。） 基本费米子被分成三代，每一代由两个轻子和两个夸克组成。第一代有上及下夸克，第二代有奇及粲夸克，而第三代则有顶及底夸克。过去所有搜寻第四代基本粒子的研究均以失败告终，又有有力的间接证据支持不会有超过三代。代数较高的粒子，一般会有较大的质量及较低的稳定性，于是它们会通过弱相互作用，衰变成代数较低的粒子。在自然中，只有第一代夸克（上及下）是常见的。较重的夸克只能通过高能碰撞来生成（例如宇宙射线），而且它们很快就会衰变；然而，科学家们相信大爆炸后，第一秒的最早部份会存有重夸克，那时

原子核和强相互作用物质的相变

原子核和强相互作用物质的相变1 刘玉鑫，穆良柱，常雷 1．北京大学物理系, 北京100871 2．北京大学重离子物理教育部重点实验室，北京100871 3．重离子加速器国家实验室理论核物理中心，兰州730000 摘要：简要回顾原子核和强相互作用物质的相结构及相变研究的现状。说明原子核和强相互作用物质的相结构和相变的研究是原子核物理、粒子物理、天体物理、宇宙学和统计物理等领域共同关心重要前沿领域，到目前为止已取得重大进展，但无论是具体实际问题还是研究方法等方面都需要系统深入的研究。 关键词：原子核物理；强相互作用物质；相与相变 1 引言 100年前，爱因斯坦通过分析充满空腔的辐射系统的熵与充满空腔的气体系统的熵，提出电磁辐射由光量子组成[1,2] ，从而建立了光子的概念，吹响了引导人们探索微观世界的冲锋号。进一步的深入研究表明，组成物质世界的粒子可以分为强子和轻子两类，粒子间的相互作用可以分为引力作用、电磁作用、弱作用和强作用4类。参与强相互作用的粒子或具有强相互作用的系统统称为强相互作用物质（包括强子物质、夸克物质等）及其特殊形式——原子核（由有限个强子组成的系统），对原子核和强相互作用系统的相结构及相变的研究，对于认识强相互作用系统的相结构、相变，了解宇宙的起源和演化至关重要，并且可能是有限系统的统计物理的检验平台。因此，近年来关于原子核和强相互作用系统的相变的研究不仅是原子核物理、天体物理、宇宙学及粒子物理等领域研究的重要前沿课题，还引起了有限量子多体系统领域和统计物理学界的极大关注。本文简要介绍原子核及强相互作用系统的相及相变研究的现状。 2 原子核的相及相变 2.1 原子核的单粒子运动与集体运动 原子核是有限数目的强子组成的束缚系统，其中的核子（质子和中子）自然具有单粒子运动，并建立壳模型成功的描述原子核的相应性质。实验上对原子核的能谱和电磁跃迁等的研究表明，原子核还具有整体运动，并建立了原子核具有形状和振动、转动等集体运动模式的概念。人们通常利用将核半径按球谐函数),(?θlm Y 展开来描述原子核的形状，并将相应的形变称为l 2极形变（如图1所示）。已经观测到和已经预言的原子核形状多种多样[3,4]，比较重要的是四极形变，实验上已经观测到的最高极形变是16极形变[3,4]。按照壳模型和集体模型的观点， 幻数核多为球 1基金项目：国家自然科学基金（10425521, 10135030）、国家重点基础研究发展规划（G2000077400）、教育部优秀青年教师奖励计划项目、教育部博士点专项研究基金（20040001010） 作者简介：刘玉鑫，男，博士，北京大学物理系教授，主要研究方向为原子核理论、强相互作用物质理论及QCD 相变、物理学中的群论方法及计算物理等方面的研究工作；中国物理学会会员（S020001000M ）,E-mail: liuyx@https://www.sodocs.net/doc/6c18112034.html, 。

夸克的发现过程

夸克-----一个未解之谜 夸克对于我们现代的人来说可谓是家喻户晓，随意找一位高中生，甚至是以为初中生，他们也能说出构成质子中子的更小的微粒---夸克。当然现代的物理学家至今还不能一睹夸克的风采，但是夸克的存在性，在当今的科学界已经不在是一个问题了。虽然这已经不是问题了，但是每个人有他自己的观点。你能说它是存在的，因为你有世界上最权威的的科学家的论证，但是每一个理论都少不了实验的验证，缺少了实验，总感觉这个理论还缺少着些什么。所以科学家们还在坚持不懈的追寻着它的足迹。当然作为物理学的学生，我当然是希望自己能在这些方面有所贡献，哪怕是一点点微不足道的努力。希望在不久的将来人们就能真正的见到夸克。并且让这位宇宙的起源能提供一点证据。 夸克的提出到，理论发展，到一种一种的夸克被科学家所寻找到，再到后来夸克被科学界所接受，最后到不久的将来夸克真正的被人们所亲眼观察到。人们对夸克的认识道路是曲折的。 在JJ.汤姆逊发现电子之前，人们一直认为原子是构成物质的最小微粒。1897年，汤姆逊运用的一个阴极射线管，外加上电场和磁场，发现了电子的偏移，从而发现了这种由原子发出的，带有负点的，质量为原子核的1836分之一的微小粒子。于是，原子再也不是不可再分的了。之后人们就对原子内部进行了进一步的了解。从汤姆逊本人提出的电子均匀镶嵌在原子内部（又可以叫做枣糕模型）。到卢瑟福的a粒子散射实验后提出的，卢瑟福核式模型，到波尔的轨道量子化，再到最后的电子云模型（我觉得是由于不确定关系造成的）。人们开始越来越了解原子核内部的事情，知道了原子是

由原子核（内部有质子和中子）和核外电子组成。但是质子和中子是不是最小的粒子了呢？有没有比这更加小的粒子了呢？问题又再一次摆在了人类的面前。由于前面的借鉴，人们不再轻易的做出结论，他们想通过实验来证明。当然想知道是不是有更小的粒子，自然是看如果将原子在一些极端的情况下，发生碰撞，看看碰撞完后，会产生哪些粒子。 20世纪30年代中期，人们发明了粒子加速器，就是一种环形的磁场，带点的粒子就能在磁场中作圆周运动，在两个半圆形磁场中间加上加速电场，是电子在减速电场的作用下不断加速，一直接近光速（所有粒子的相速度是无法超越光速的）。然后让两个或者更多的粒子相向而行，直到相撞。科学家们通过撞击能够把粒子打碎，观察碰撞到底能产生什么。20世纪50年代，唐纳德·格拉泽发明了“气泡室”，将亚原子粒子加速到接近光速，然后抛出这个充满氢气的低压气泡室。这些粒子碰撞到质子后，质子分裂为一群陌生的新粒子。这些粒子从碰撞点扩散时，都会留下一个极其微小的气泡，暴露了它们的踪迹。科学家无法看到粒子本身，却可以看到这些气泡的踪迹。这就是人们最早观察到的夸克吧。只不过人们只能观察到的是夸克的运动的轨迹，而没有真正的看见它。 说到夸克的发现，不得不提一个人，那就是盖尔曼。1929年9月15日盖尔曼出生于纽约的一个犹太家庭里。童年时就对科学有浓厚兴趣，少年才俊，14岁从进入耶鲁大学，1948年获学士学位，继转麻省理工学院，三年后获博士学位，年仅22岁。1951年盖尔曼到普林斯顿大学高等研究所工作。1953年到芝加哥大学当讲师．参加到以费米为核心的研究集体之中，1955年盖尔曼到加州理工学院当理论物理学副教授，年后升正教授，成为

核子结构论文夸克论文

核子结构论文夸克论文 基于强子袋模型的核子特征参数 摘要：我们把高能核碰撞环境下的核子质量看作是它的整个静止能量，它可以分为分别来自内部夸克和胶子的两部分。我们采用袋模型的本质意义去讨论核子的结构，发现我们计算得出的温度、核子半径、袋常数等参量均是可以接受的，如果我们把这样环境下的核子看成是一个由夸克和胶子组成的局域热平衡系统的话。 Abstract: We treat the mass of a proton as the total static energy which can be separated into two parts that come from the contribution of quarks and gluons respectively. We adopt the essential meaning of the bag model of hadron to discuss the structure of a proton and find that the calculated temperature, proton radius, the bag constant are acceptable if a proton is a thermal equilibrium system of quarks and gluons. 关键词：高能碰撞；核子；半径；夸克；袋模型 Key words: high-energy collision；nucleon；radium；quark；bag model 1概述 探索核子的内部结构一直是人们了解强相互作用的一个最重要课题之一。它也有助于人们去寻找强相互作用下新的一种物质形态-夸克胶子等离子体（QGP）。对这一问题的理论研究主要集中在量子色动力学（QCD）[1]。当然，也存在一些关于核子结构和其特征参

夸克之父

克之父”盖尔曼讲物理研究之路 来源:华中师大日期：2010-05-11 发布单位：admin 浏览次数:71 “得奖并不重要，重要的是享受科学研究带来的乐趣”。5月11日下午，世界著名物理学家、夸克之父、诺贝尔物理学奖得主盖尔曼先生在我校粒子物理研究所学术报告厅讲了他的研究之路。 盖尔曼说，小时候，他的哥哥对他的影响很大。5岁时，他开始喜欢鸟。他和哥哥一起去看大自然，为贫民窟捐款。他对各种东西都很感兴趣，历史、地理、语言，等等。他的同学认为他是“会走路的大百科全书”。 到14岁时，盖尔曼考虑申请到耶鲁大学。父亲问他想学什么，他回答说“只要跟考古或语言学相关就好，要不然就是自然史或勘探”，父亲的第一反应是“你会饿死的”。盖尔曼说：“我宁愿饿死。”全场听众一阵大笑。 时值第二次世界大战末期，美国经济状况糟糕，他的父亲强烈地建议他学“工程”。经过能力测试，盖尔曼被认为适合学习除了“工程”以外的一切学科。工程师做不成了。于是父亲建议：“我们干嘛不折中一下，学物理呢？”可是盖尔曼最不喜欢物理，他说：“我物理只考了70分，我恨物理，因为我的声学、液体学都很差。”全场又是一阵笑声。 父亲说：“物理很有趣的，爱因斯坦的相对论很美好。”盖尔曼于是就选择了物理学。1944年，盖尔曼在他15岁生日那天进入耶鲁大学物理系。回忆那段的经历，盖尔曼说，“我不在乎选择什么，慢慢地开始喜欢基本力学、相对论、真实物理。”正是父亲折中的建议，造就了后来的夸克理论提出者、1969年的诺贝尔物理学奖得主盖尔曼，成为“统治基本粒子领域20年的皇帝。”（1979年度诺贝尔物理学奖另一名得主格拉肖语） 从耶鲁大学毕业后，盖尔曼在麻省理工学院继续攻读，21岁就获得博士学位，并跟随“原子弹之父”奥本海默，到爱因斯坦时代的普林斯顿高等研究院做博士后。在此期间，他曾去量子力学创始人之一、1938

夸克周期表

夸克周期表

夸克周期表有三族（八列）八个周期能阶（殻层），与元素周期表有八族七个周 期能阶（殻层），极为相似。 笫一族磁型夸克族以帯2/3电荷夸克为主(因u上夸克=v中微子,同中微子带手征 旋转性), 笫二族中性夸克族,帯2/3电荷夸克与帯1/3电荷夸克各占一半, 笫三族电型夸克族以帯1/3电荷夸克为主(因d下夸克=e电子,同电子带电荷)。 1.强子族-分为以「胶子」连结三个「价夸克」组成之重子族(质子、中子、超子)及 以「胶子」连结二个「价夸克」组成之介子族(π介子、各种重介子)。 2.「价夸克」为强子里最上(外)层的夸克,而「海夸克」为强子里下(内)层的夸克。 这就好比原子里最外层的电子称为「价电子」,而内层尚有层层的「束缚电子」一様。 3.「胶子」是由上层「海夸克」的部份能量衰变而成, 与「光子」同属轻子族,只 俱有能量,而不俱静止质量(「胶子」可能以光速在「价夸克」间来回振动)。 4-1.上表头:横向连结(表层连结)为强子族中以「胶子」连结三个「价夸克」组成之重子族及二个「价夸克」之组成介子族。 4-2.上表头:纵向叠加(内层叠加)为「价夸克」之下(内)层层叠加的「海夸克」。 4-3.横向连结(表层连结)之「价夸克」好比土地上的“连根花草”, 横向连结(表层连结)之「胶子」好比土地上的“露出草根”, 纵向叠加(内层叠加)之「海夸克」好比土地下的“埋蔵草根”。 (注:“连根花草”拔出一株必连带数株,就好比「价夸克」与「胶子」难以分割) 5. v微中子←互为转换→u上夸克e-电子←互为转换→d下夸克 v-反微中子←互为转换→u-反上夸克e+正电子←互为转换→d-反下夸克。 6.阴海夸克及阳海夸克:位于-8维:核弱力埸(含三代6味夸克), 海夸克底:位于-9维:希格斯埸,即电弱统一场，其中可产主无数超高能夸克。 愈接近海夸克底的中央,夸克代数愈高能量愈大 6.上表中:以海夸克底为分界,其上最终为夸克(物质),其下最终为反夸克(反物质)。 中子质子质子质子质子质子质子质子 u上夸克u上夸克u上夸克u上夸克u上夸克u上夸克u上夸克u上夸克 d下夸克u上夸克u上夸克u上夸克u上夸克u上夸克u上夸克u上夸克 d下夸克d下夸克d下夸克d下夸克d下夸克d下夸克d下夸克d下夸克 宇宙诞生初期,中子与质子比为1:7(见上表), 故d下夸克与u上夸克比为 9:15(见上表), =3:5。因此有三族d下夸克(笫三族电型夸克族),五族u上夸克(含:笫一族磁型夸克族,笫二族中性夸克族),共八族。

物质的形态有几种

物质的形态有几种

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物质的形态有几种 在生活中，我们常见到的物质的形态有三种，分别为固态、液态和气态。其特性如下：固体具有一定的形状，不容易被压缩; 液体没有固定的形状，具有流动性; 气体没有一定的形状，容易压缩，具有流动性。 那么，是不是物质的形态只有这三种呢？答案是否定的。 物质的形态有许多种，除了常见的固态、液态和气态外，还有等离子态、“夸克—胶子”等离子态、超流态、凝聚态、费米子凝聚态、“波色——爱因斯坦”凝聚态、超固态、简并态、中子态、超导态等，一般只有在实验室环境内才能见到这些另类的形态。 各种另类形态的介绍 等离子态 将气体加热，当其原子达到几千甚至上万摄氏度时，电子就会被原子"甩"掉，原子变成只带正电荷的离子。此时，电子和离子带的电荷相反，但数量相等，这种状态称做等离子态。 “夸克—胶子”等离子态 夸克-胶子等离子体顾名思义含有夸克与胶子，如同普通（强子）物质。这两种QCD的相态不同处在于：普通物质里，夸克要不是与反夸克成双成对而构成介子，或与另两个夸克构成重子（例如质子与中子）。在QGP，相对地，这些介子与强子失去了身分，而成为更大一坨的夸克与胶子。在普通物质，夸克是呈现色约束的；在QGP，夸克则不受约束。 超流态 超流体是一种物质状态，特点是完全缺乏黏性。如果将超流体放置于环状的容器中，由于没有摩擦力，它可以永无止尽地流动。它能以零阻力通过微管，甚至能从碗中向上“滴” 出而逃逸。 凝聚态 所谓“凝聚态”，指的是由大量粒子组成，并且粒子间有很强相互作用的系统。自然界中存在着各种各样的凝聚态物质。固态和液态是最常见的凝聚态。低温下的超流态，超导态，玻色- 爱因斯坦凝聚态，磁介质中的铁磁态，反铁磁态等，也都是凝聚态。

物质的概念

物质的概念1~1 古代朴素的唯物哲学家把物质的某些具体形态看作世界的本原，但这些仅仅是物质的个别形态，不能概括所有的物质。著名的唯物主义哲学家德莫克利特提出了原子论的学说，认为世界是由原子构成的，原子是最小的不可分的物质微粒。但 在自然科学的发展，赋予原子论新的内容。17～18世纪，英法等国的机械唯物主义者以牛顿的经典力学为基础，认为不同原子按不同比例结合起来就构成万物，原子是“宇宙之砖”，至最小的不可再分的物质单位，原子的性质就是物质的不变的属性。 这种机械唯物主义的物质观，就它建立在近代物理学的基础上这一点来说，的古代朴素的唯物主义前进了一步，但就其思维方法来说，形而上学的缺陷则是明显的。因为，把一切物质看成是由微小的不可再分的原子组成，并没有抓住物体的各种形态最一般的特性，它只是某些物质形态的特性。原子也不是不可分的。 马克思、恩格斯创立的科学唯物主义学说，克服了机械唯物主义的缺陷。在他们看来，目前这一概念不是指物质的某一种或某几种具体形态，而是指物质的全体。应该是对所有的物质领域和形态，包括自然界和社会的一切物质现象的共同本质的概括。恩格斯认为，实物、物质无非是各种实物的总和，而这个概念就是从这一总和中抽象出来，马克思、恩格斯表明自己的唯物主义立场时，通常也仅仅是从世界观和认识论响，把物质的东西以观念的东西相对的，把物质看成是独立于意识之外的东西的总体。如果不是这样看问题，就不仅不能把唯物主义的原则贯彻到社会历史领域，而且难以对自然科学所揭示的某些新的自然现象作出正确的解释。 例如19世纪末20世纪初，物理学的新发现就是对机械唯物主义物质观的一种重大冲击。自然科学家认为原子没有结构不能再生，此时发现原子内部还有电子，原子不是最小单位。于是有人认为唯物主义部领导。在这一重要时刻，列宁坚持了马克思、恩格斯的科学唯物主义立场，并把它们学说推向前进，给物质下了一个科学的定义：物质是标志客观实在的哲学范畴，这种客观实在是人感觉到的，它不依赖于我们的感觉而存在，为我们的感觉所复写、摄影、反映。 这个定义抓住了物质，最普遍、最本质的特性——客观实在性，从而给人们实践活动，给科学研究提供了一个正确的世界观、认识论和方法论的方向。自然科学家也只有掌握这个方向，才能在探索大自然奥秘，探索物质的结构和特性的过程中，不致迷失前进的方向。物质是马克思主义的唯物主义的最基本的范畴。 回顾历史，人们对客观世界的认识吴仪已经走了很长一段路程。然而，物质世界是无限的，认识不会有劲头。过去曾经认为原子不可再分，20世纪初以来自然科学对物质结构研究，不仅突破了原子这一层次，发现了原子核，而且突破了原子核这一层次，到达了“基本粒子”这一层次，现在又发现了夸克。这些粒子，尽管千姿百态各有特性，但它们的客观实在性学不会改变的。现代物理学使用“反物质”的概念，有人认为是对物质的否定。其实它是指由反粒子构成的物质。“反物质”不是哲学范畴，不是指和物质相反的东西，而是物质的一种具体形态。 承认世界的物质性，世界是统一的物质世界，是马克思主义世界观的基础。

高能核物理前沿_探寻夸克_胶子等离子体_马余刚

高能核物理前沿：探寻夸克－ 胶子等离子体 马余刚 对于我们身处的物质世界，现代物理学认为它是起源于约150亿至200亿年前的一次宇宙大爆炸。在宇宙的早期，物质的温度和密度都相当大，整个宇宙体系达到平衡。初始的宇宙间只有正反夸克、轻子、胶子等一些基本粒子形态的物质。宙间的物质主要是质子、电子、光 子和一些比较轻的原子核。当温度 降到几千度时，辐射减退，宇宙间 主要是气态物质，气体逐渐凝聚成 气云，再进一步形成各种各样的恒 星体系，成为我们今天看到的宇宙。 宇宙大爆炸学说是现代宇宙 生指出：20世纪物理学存在两大 疑难，其一是对称性丢失，其二是 夸克禁闭，疑难的解决，可能与真 空的结构有关。人们预期通过相对 论重离子碰撞形成高温高密极端条 件，改变真空的性质，从而解除夸 克禁闭产生出一种在夸克层次上的 图1 宇宙演化的示意图 （引自：D. E. Groom et al., Particle Data Group, The European Physical Journal C15 （2000））

图2 位于RHIC对撞机上的STAR探测器图示

3Λ）的衰变产物。 (a)(b) 得到碰撞顶点之后,对与碰撞顶点图3 STAR-TPC上探测到的粒子径迹。其中反氦3（3He）和p+是超氚核（H

4 高能重离子碰撞中产生的热密物质的化学势（a）、温度（b）随碰撞的质心系能量的关系 强作用物质的相图：数据点来自（a）、（b），曲线分别表示了宇宙早期的演化、格点QCD和口袋模型的计算得到的相边界。圆点代表数据。三角点代表可能的相变临界终点（引自：P. Braun-Munzinger，J.Stachel，The quest for the quark–gluon plasma，Nature448 302（2007））

冷夸克物质中的“夸克凝聚”现象

冷夸克物质中的“夸克凝聚”现象 来小禹徐仁新 中国，北京，北京大学物理学院，核物理与技术国家重点实验室 100871 摘要：有人提出，冷夸克物质中，在几个核密度下，由于强相互作用夸克会聚在一起形成“夸克簇”。这是因为在那里夸克间的弱耦合相互作用会显不足。如果簇间的势足够深，以至于能局部化晶格集群，那么我们可以推测冷夸克物质将会以固体状态出现（即形成晶体结构）。冷夸克物质这样的一种固体状态对于我们理解脉冲星那样的小体积的星体的不同表现形式是十分必要的，它并不服从第一原则。 关键词：夸克物质，中子星，脉冲星，核物质，量子色动力学。 PACS21.65.Qr, 97.60.Jd, 97.60.Gb 一、超核密度下物质物理性质的介绍 一方面，在超核密度下，对于冷物质的物理性质，脉冲星那样的小体积星体是绝好的实验室，它们无疑和夸克间基本的色相互作用有着密切联系。然而，对今天的物理学家来说，其中的挑战之一就是如何理解低能级下的强相互作用。尽管量子色动力学（QCD）被认为是描述初级强相互作用的基础理论，在高能级也已经被很好地检验，但是其在低能级下的非微扰性质使得我们在处理强相互作用下的粒子系统时非常棘手，尤其是几个核密度尺度下的冷物质情况。 另一方面，对于天体物理学家，理解脉冲星那样的小体积星体也是一个挑战，尽管第一颗脉冲星已经发现40多年了。特别关心的是这样的小体积星体的密度是否足够的高以至于导致非禁闭夸克（夸克物质）的出现。对比那些主导自由度为强子的中子星，由去掉禁制的夸克（及可能的胶子）作为主导自由度而组成的星体被称为夸克星（或者叫做奇异星体——因为奇夸克的存在）。存在可能的观测证据指出，脉冲星这样的星体就是夸克星。制作（形成）夸克星取决于冷夸克物质在超核密度下的状态，然而不幸的是，由于量子色

第一章作业及答案

第一章练习题及参考答案 一、辨析题（请先判断对错，再说明原因） 1. 哲学的基本派别是一元论和二元论。 2. 辩证法和形而上学对立的焦点在于是否承认事物是可以被认识的。 二、材料分析题 1.阅读下列材料： 【材料1】 笛卡儿认为，物质和精神是两种不同的实体，精神的本性是思维，物质的本性是广延，广延不能思维，思维不具有广延。物质和精神互不相通，彼此独立，两者都是世界的本原。 【材料2】 贝克莱认为“存在就是被感知，人的各种感觉构成了事物。”黑格尔认为，整个世界是“绝对观念”的“外化”和产物。 【材料3】 恩格斯指出：“物、物质无非是各种物的总和，而这个概念就是从这一总和中抽象出来的”。马克思指出“观念的东西不外是移入人的头脑并在人的头脑中改造过的物质的东西而已。” 请说明： （1）材料1属于什么观点，错误的实质是什么？材料2属于什么观点，两位哲学家的观点有什么不同，错误在哪里？ （2）请结合材料3谈谈如何正确理解物质和意识。 2、阅读下列材料： 【材料1】 韩非子提出“世异则事异，事异则备变”，“法与时转则治，治与世宜则有功”。 【材料2】 《坛经》中记载：“时有风吹幡动，一僧曰风动，一僧曰幡动，议论不已。慧能进曰不是风动，不是幡动，仁者心动”。 【材料3】 列宁指出把主要的注意力正是放在认识“自己”运动的源泉上：只有对立统

一的观点：才提供理解一切现存事物的“自己运动”的钥匙，才是提供理解“飞跃”、“渐进过程的中断”，向对立面的转化，旧东西的灭亡和新东西的产生的钥匙。” 请说明： （1）材料1和材料2的观点有何异同？ （2）材料2和材料3的主要分歧是什么？并加以评述。 3、阅读下列材料： 在十七世纪，牛顿曾坚信光是由很小的微粒组成的，这一学说得到了几何光学实验的证明。后来到了惠更斯、菲涅耳时代，光的波动学说被光的干涉和衍射实验以及后来的麦克斯韦电磁场理论所证实，从而否定了牛顿的微粒说。二十世纪初，量子力学以其优美的数学形式和极其精确的实验，再一次否定了光的波动说，认为光是由微粒组成的，但这种微粒是具有波动性的，称之为光量子。显然，量子力学所说的光量子，是具有波动性的微粒，它与牛顿所假设的微粒有本质的区别。最终，爱因斯坦得出了光具有波粒二象性的结论：光既是一种波也是一种粒子。 请说明： (1) 马克思主义的辩证否定观的基本内容。 （2）结合人们对光的本质认识的发展过程说明否定之否定的三个阶段。

夸克的提出

一、夸克的提出 1、1928年，狄拉克将相对论引入量子力学，他建立的狄拉克方程预言：存在与电子具有严格相同的质量，但是电荷符号相反的正电子。 2、1932年，安德森在宇宙线实验中观察到：高能光子穿过重原子核附近 时可以转化为一个电子和一个质量与电子相同但带有单位正电荷的粒子 （左图），从而发现了正电子。狄拉克对正电子的预言得到了实验的证实。 反粒子的存在是电子所特有的性质，还是所有的粒子都具有的普遍的性质呢？如果所有的粒子都有相应的反粒子，首先检验的应该是是否存在质子的反粒子、中子的反粒子。 1947年在宇宙射线的研究中，首先观察到了奇异粒子， 3、24年后的1956年，美国科学家张伯伦（Owen Chamberlain，1920-2006） （右图）等在加速器的实验中发现了反质子，即质量和质子相同，自旋量子 数也是1/2，带一个单位负电荷的粒子，接着又发现了反中子。 4、20世纪30年代中期发明了粒子加速器，科学家们能够把中子打碎成质 子，把质子打碎成为更重的核子，观察碰撞到底能产生什么。20世纪50年代，唐纳德·格拉泽（Donald Glaser）发明了“气泡室”，将亚原子粒子加速到接近光速，然后抛出这个充满氢气的低压气泡室。这些粒子碰撞到质子（氢原子核）后，质子分裂为一群陌生的新粒子。这些粒子从碰撞点扩散时，都会留下一个极其微小的气泡，暴露了它们的踪迹。科学家无法看到粒子本身，却可以看到这些气泡的踪迹。 气泡室图像上这些细小的轨迹（每条轨迹表明一个此前未知的粒子的短暂存在）多种多样，数量众多，让科学家既惊奇又困惑。他们甚至无法猜测这些亚原子粒子究竟是什么。 5、1961年，盖尔曼在奇异数守恒定律①的基础上将对称性运用于基本粒子的分类，即SU （3）对称性。假定所有的强子都是由质子(p)、中子(n)和Λ 超子以及它们 的反粒子组成的。正像忽略去质子和中子的差别以后核力和核子体系具有 同位旋对称性【即SU(2)对称性】一样，如果人们忽略Λ 粒子与核子之间 的差异，而把它们看作同一粒子所处的三种不同状态，它们之间应具有SU(3)对称性，由它们所构成的强子体系也应具有SU(3)对称性。他和以色列物理学家内曼（Yuval Neemann，1925-2006）各自独立地提出了强作用对称性的理论——八重法②（eightfold way），按照这一方法，把有相近性质的强作用基本粒子分成一个个的族，并认

从原子结结构到夸克模型再到X1835粒子的发现

从原子结结构到夸克模型再到X1835粒子的发现，说明了什么哲学道理？ 1.在物理学上，从原子核结构到夸克模型再到X1 835粒子的发现，说明了物质是无限 可分的。从科学的角度来看，物质是有限可分的，就像宇宙的时空理论一样，宇宙是有限无界的，辩证唯物主义认为宇宙是无始无终无穷无尽的。但是从物理学上来说，物质是无限可分的。原子是由6中夸克和电子等组成的而夸克一般就是所谓最小的物质 了,而如果在细分夸克是由胶子和地球场效应力组成的.这些物质已经成为抽象意义的组成物质了. 就是学术上最小而不可再分的 物质了，而X1835粒子的发现，说明了客观实在的物质具有无限可分性。 2.从原子结构到夸克模型再到X1835粒子的发现，说明了物质是世界的本源。世界 是具有客观实在性的物质统一体，世界上的物质形态及其结构、特性是无限多样和千变万化的。世界统一于物质，一切事物和现象都源于物质；运动是物质的根本属性；实践、空间是物质运动存在的基本形式；规律是物质运动所固有的本质的、必然的。稳定的联系。在物理学中，随着原子核，质子，中子的发现，有力的证明了世界是由物质组成的，而从夸克模型再到X1835粒子的发现，则更加有力的证明了这一点。X1835粒子有可能是在高能物理实验中寻找了几十年的新型粒子。它们都是在人的意识之外的客观存在，它们是我们感官不能直接感觉到的，但是，人们可

以通过现代化的物质技术手段，通过人们理性的思维去认识它， 把握它。 3.从原子结构到夸克模型再到X1835粒子的发现，说明了世界的物质性和物质世界的 统一性。世界是有差别的多样性的统一，这种统一不是统一于精 神，也不是统一于某种具体的物质形态、结构或属性，而是统一 于集中体现一切事物共同本质的物质性。世界的统一性在于物质 性。物质世界是多样性的统一。自然界的物质性与人类社会的物 质性。而原子结构到夸克模型再到X1835粒子的发现，这一切的过程都有力的证明了世界的物质性和物质世界的统一性。 4.从原子结构到夸克模型再到X1835粒子的发现，说明了物质是客观存在的。物质 是客观存在的，不以人的意识为转移，并能为人的意识所反映的 客观实在。物质是由分子，原子，电子等粒子组成的，微观粒子 无不是在高速的加速运动中，这些粒子的高速运动组成了物质。 古希腊哲学家得莫克利特认为，原子和虚空是世界万物的本原。 从原子结构到夸克模型再到X1835粒子的发现，他们都是可看见可接触的。所以，物质是客观存在的。 三. 南极大陆水陆交界处,滑溜溜的冰层或者尖锐的冰凌。企鹅没有可以用来攀爬的前肢， 也没有可以飞翔的翅膀，如何从水中上岸？企鹅是在将要上岸之时，先从海面潜入海中，潜到适当的深度，再借用水的浮力，迅猛向上，飞出一道弧线，落在陆地上。 企鹅的沉潜是为了蓄势，看似笨拙，却富有成效。人生又何尝不是如此呢？沉潜绝非沉沦，而是勇敢、智慧、自强。如果我们在面对困难前能沉下气来，不被“冰凌”吓到，不被浮华迷惑，专心致志，自强不息，积聚力量，并抓住恰当的机会反弹向上，毫无疑问，我们就能成功着陆！反之，总是随波浮沉，或者怨天尤人，注定就会被命运的风浪所玩弄，直到精疲力竭。