宇宙是什么

7. 质子、中子和介子内部的秘密

  在各种粒子不断被发现的大混乱之后，研究者开始怀疑强子不是基本粒子。在对强子内部结构的探索中，夸克理论得以形成。

  夸克理论的起点，是日本物理学家坂田昌一在1956年提出的“坂田模型”。坂田模型可如下粗略描述，即大量存在的强子并非都是基本粒子，强子中只有质子、中子和Λ粒子这3种粒子是基本粒子。Λ粒子是V粒子在“逆V字形”运动轨迹分叉后，其中一条路线上的粒子（另一条路线上是K介子）。因此，它自然是具有奇异数的粒子。

  坂田模型虽然在一定程度上说明了强子的结构，但也存在若干缺点。例如，Λ粒子与其他粒子（Σ粒子、Ξ粒子）没有什么区别，因此很难将其作为基本粒子来区分。

  为了解决这个问题，夸克理论应运而生。前文提到的盖尔曼与同样来自美国的茨威格几乎同时提出了夸克理论。顺便一提，盖尔曼为新粒子取名为“夸克”，而茨威格将其称为“Ace”。

  虽然该粒子的名字使用了盖尔曼的方案，但他们二人的基本观点差别很小。与坂田模型一样，他们也认基本粒子有3种，但它们是比强子还要小的其他粒子。

  说点题外话，盖尔曼对自己的外语能力很得意。我与他初次见面做自我介绍时，他突然插了一句：“Oh，Village Mountain！”（哦，“村”“山”！）他似乎也很擅长日语（笑）。

  盖尔曼将这三种基本粒子命名为上夸克（u）、下夸克（d）和奇夸克（s）。根据该理论，所有强子都是由这三种夸克（以及它们的反粒子）构成的。重子由3个夸克构成，介子由2个夸克构成。主要的强子的结构如下所示。

  重子：质子=uud；中子=udd；Λ粒子=uds。

  介子：π介子=u·反d；K介子=u·反s

  至此，奇异数的谜题就被解开了。由V粒子生成的Λ粒子中含有奇夸克，而V粒子生成的另一个粒子K介子，则含有奇夸克的反粒子。奇异数指的便是奇夸克的数量。由于强力无法改变夸克的种类，所以奇异数是守恒的。

图4-1 盖尔曼的夸克理论

  如果奇夸克变成上夸克，那么Λ粒子就会发生衰变。不过这种反应由弱力引发，在强力作用下不会出现这种现象。这就是V粒子寿命长的原因。