夸克发表论文

夸克发表论文

这是自1983年以来科学家们所知道的一个神秘的事实：质子和中子在原子内部的行为不同，而在空间中自由漂浮。具体来说，组成质子和中子的亚原子粒子，称为夸克，一旦被限制在原子核内，速度就会大大减慢。

物理学家真的不喜欢这样，因为无论中子是否在原子内，中子都是中子。质子是质子。质子和中子（共同构成一类称为“核子”的粒子）都是由三个更小的粒子组成，称为夸克，它们被强大的力量结合在一起。

“当你把夸克放入一个原子核中时，它们开始移动得慢一些，这很奇怪，”研究的合著者或Hen说，麻省理工学院的物理学家。这很奇怪，因为夸克之间强大的相互作用主要决定了它们的速度，而束缚原子核的力（也作用于原子核内的夸克）应该是非常微弱的，Hen补充道，

和没有其他已知的力可以如此强烈地改变夸克在原子核中的行为。然而，这种效应仍然存在：粒子物理学家称之为电磁兼容效应，以发现它的欧洲μ子合作组织命名。直到最近，科学家们还不确定是什么引起的。[物理学中最大的未解之谜]

一个原子核中的两个粒子通常被800万电子伏特（8mev）的力拉在一起，这是粒子能量的量度。质子或中子中的夸克被约1000mev束缚在一起。因此，核的相对温和的相互作用对夸克内部强大的相互作用产生巨大的影响是没有意义的，Hen告诉Live Science，

“8比1000是多少？”他说：

，但电磁兼容效应看起来不像是外力的轻微推动。尽管核的种类各不相同，“但它不像半个百分点。一旦你有足够的创造力来设计一个实验来寻找它，这种效应就会从数据中显现出来，“Hen说，

取决于所涉及的核，核子的表观大小（这是它们速度的函数）可以改变10%到20%。例如，在一个金原子核中，质子和中子比它们自由漂浮时要小20%，

理论家们提出了许多不同的模型来解释这里发生的事情，他说：

“我的一个朋友开玩笑说，EMC代表‘每个人的模型都很酷’，因为每个模型似乎都能解释它，”他说，

但是随着时间的推移，物理学家们做了更多的实验，测试了这些不同的模型，一个接一个地消失了。

“没人能解释所有的数据，我们留下了一个大谜团。我们现在有很多数据，测量夸克如何在各种不同的核内运动，我们无法解释发生了什么，”他说。

而不是试图一下子解释所有的谜题，Hen和他的同事决定只研究一种特殊的中子和质子相互作用的情况。

在大多数情况下环境中，原子核中的质子和中子彼此不重叠，而是相互尊重对方的边界——尽管它们实际上只是束缚夸克系统。但有时，核子在现有的核内连接在一起，并开始短暂地相互重叠，成为科学家所谓的“相关对”。在任何时刻，核中大约有20%的核子以这种方式重叠。“KdSPE”“KdSPS”当发生时，夸克之间有大量的能量流动，从根本上改变他们的束缚结构和行为-一种由强大的力量引起的现象。在2月20日发表在《自然》杂志上的一篇论文中，研究人员认为这种能量流正好解释了电磁兼容效应。[粒子物理学的标准模型]

研究小组轰击了许多不同类型的核反应堆lei与电子，并发现了这些核子对与电磁兼容效应之间的直接关系。

他们的数据强烈表明，Hen说，大多数核子中的夸克在进入一个核子时根本不会改变。但是那些参与核子对研究的少数人改变了他们的行为，以至于他们在任何实验中都偏离了平均结果。许多夸克被塞进这样一个小的空间会引起一些戏剧性的强力效应。电磁兼容效应仅仅是少数异常现象的结果，而不是所有质子和中子行为的改变。

从数据中，研究小组导出了一个数学函数，精确描述了电磁兼容效应如何从一个核到另一个核。

他们[论文作者]做出了预测，乔治华盛顿大学（George Washington University）的物理学家杰拉尔德·费尔德曼（Gerald Feldman）在同一期《自然》杂志上发表了一篇新闻与观点文章，但他没有参与这项研究。他说：

有力地证明了这种配对效应是解决电磁兼容问题的真正答案，费尔德曼在接受《生活科学》采访时说：

经过35年的发展，粒子物理学家似乎已经用太多没有好的解决方案解决了这个问题。Hen说他和他的同事已经有了后续的实验计划来更深入地研究这个问题，并揭示关于原子内成对核子行为的新的未知真相。

的剖析

1869年Nature第一期出版，150年以来有哪些影响深远的论文？

Nature和Science可以说是世界上齐名的科学类杂志，Nature从出版到现在已经经过了一百五十年的时间，一百多年里经久不衰甚至见证了许多科学史上的奇迹，它的存在让人类的探索轨迹越来越清晰。那么1869年Nature第一期出版，150年以来有哪些影响深远的论文呢？今天我们来说说Nature中改变人类认知的几篇论文。

第一篇不得不说的是1947年发表的关于“中介子”的发现的论文，在这篇论文发表之前，人类一直以为组成原子的最小微粒是质子，中子和核外电子，但是科学家找到了比质子还要小的微粒，现在人们称之为“夸克”，这一发现改变了人类对物质世界的认识，并且得益于夸克的发现，人类建立了微观物理学的模型。第二篇轰动世界的论文是1975年发表的关于南方古猿与人类进化的论文，研究者从非洲化石中寻找证据，发现并报道了人类的祖先猿猴在早期进化时的分化，改变了人类对于早期进化的观点。

1925年发表的“纳米的发现”也对科技革命产生了重大影响，人类开始研究纳米级别的物质能够给人类世界带来的益处，因此，从上个世纪到现在，人类对于纳米的研究越来越精湛，才使现在的人们能够轻而易举地接触纳米级别的物质，这一发现不仅催生了现代工业的发展，甚至渗透到石油等其他军事领域。1958年发表的DNA双螺旋结构的论文使人类真正地认识了遗传物质的形状和结构。

Nature见证了人类世界的奇迹，生命世界的纷繁，以及物质世界的普世规律。

我国近几年在研究宇宙方面做了哪些努力和尝试？

我国的宇宙线研究几乎与新中国同龄，1949 年10 月1 日开国大典后的第二个月，中国科学院即在北京成立．半年以后，1950 年5 月19 日在北京成立了中国科学院近代物理研究所，吴有训兼任所长．1951 年开始，即在该所内建立了宇宙线组，由王淦昌、肖健负责．1953 年10 月，近代物理研究所改名为物理研究所，钱三强曾任所长，研究所设有高能研究室，包括宇宙线组和加速器物理实验组，王淦昌、张文裕先后任室主任．1958 年研究所又更名为原子能研究所，由第二机械工业部(以下简称二机部)和中国科学院双重领导，以二机部为主．1972 年，因周总理的批示“这件事不能再延迟了”，指的是要发展高能物理，建造高能粒子加速器，1973 年2 月1 日，原子能研究所一部易名，成立中国科学院高能物理研究所，张文裕为第一任所长，宇宙线室随之成立，以后发展为粒子天体物理中心．这一段时间的机构调整，说明当时国家在考虑如何布局和发展我国的原子能事业和高能物理事业．从那以后的40 年中，我国的宇宙线研究队伍扩大到国内多家高等院校和研究所，其中高能物理研究所始终扮演着排头兵的角色．

建国初期，我国的宇宙线研究队伍虽小，但力量很强，赵忠尧、王淦昌和张文裕先生都是在新中国成立前就已经在核物理、粒子物理或宇宙线领域做出过有重大国际影响的成果，并与国际知名物理学家有过合作或交流的学者．他们三位都领导过我国早期的宇宙线研究．

赵忠尧先生( 见图1)，1902 年出生，1927 年夏赴美国加州理工学院留学，师从1923 年诺贝尔物理奖得主、校长密立根(R. A. Millikan)教授．他是国际上第一个观测到正电子的产生和正负电子湮灭现象的人，他在这段时间的工作曾得到卢瑟福(E. Rutherford) 的高度评价．1945 年，赵先生再次赴美，用多板云室研究宇宙线高能簇射，得到出色的结果．

图1 赵忠尧

王淦昌先生( 见图2)，1907 年出生，1933 年在德国柏林大学获博士学位，导师迈特纳(L. Meitner)， 1941 年，王淦昌在国内生病期间，系统分析研究了当时已经用过的各种探测中微子的方法，1942 年1 月，他的论文《关于探测中微子的一个建议》在美国《物理评论快讯》(Physical Review Letters)上发表．美国的物理学家杰姆斯·阿伦(J. S. Allen)采纳了他的建议后于同年6 月在《物理评论》(Physical Review)上发表了题目为《一个中微子存在的实验证据》的文章，“王淦昌—阿伦实验”是世界上第一个比较确切地验证中微子存在的著名实验．

图2 王淦昌

张文裕先生(见图3)，1910 年出生，1935—1938 年在英国剑桥大学卡文迪什实验室获得博士学位，导师是该实验室主任、诺贝尔物理奖得主卢瑟福(E. Rutherford)．张先生于1944—1949年再次赴美，在美国普林斯顿大学巴尔摩(Pa1mer)实验室访问工作，发现在一定条件下带负电的μ 子会被原子核俘获并释放一个轨道电子，从而形成μ 介原子．1949 年1 月，他在美国《现代物理评论》(Rev. Mod. Phys.)上发表论文，受到实验室主任惠勒(J. A. Wheeler)同期文章的引用，在J. Hiifner 等人的专著《μ子物理》一书中被称作“张辐射”、“张原子”．

图3 张文裕

这三位先生有一个共同特点，就是学风严谨，重视实验，而且亲自动手做实验装置．他们都有一颗强烈的敬业爱国之心，赵先生于1945 年第二次出国是由当时的中央研究院派出，除了做研究工作外，为以后国内的研究做了许多技术准备，新中国成立后，赵先生毅然于1950 年底辗转回国；张先生因在国内无法开展工作于1943 年二次赴美，建国初期由于受到美国麦卡锡主义的迫害，经过了五年时间的努力，于1956 年从美国绕道欧洲才得以回到祖国；王先生则是1934年留学回国，1945年后到美国做宇宙线研究，还和赵先生共同制造一台50cm多板云室带回国内．三位先生是中国科学院最早期的院士，是新中国核科学和高能物理事业的奠基人和开拓者．

还应当提到的一位是肖健先生(见图4)，1920年出生， 1944 年毕业于西南联合大学物理系，1947 年留学美国加州理工学院，成为安德森的研究生．新中国成立，肖健因急于回国放弃了继续攻读博士学位的机会，于1950 年获硕士学位后即刻回国．在我国早期的宇宙线研究中，肖健成为几位前辈的主要助手，他“只管耕耘，不管收获”，在较长的时间是宇宙线研究的学术领导，“文革”期间曾遭受迫害，后转向粒子物理，1980年成为中国科学院院士．

图4 肖健

由于这几位前辈的学问和人格魅力，我国的宇宙线和粒子物理研究结合非常紧密，不分彼此，几十年来宇宙线为加速器和粒子物理培养和输送了不少人才，著名“两弹一星”专家吕敏就经历过宇宙线的早期研究工作的锻炼．由于另有重任，几位前辈在宇宙线方面工作的时间长短不一，相对都比较短暂，我们大家都为有他们作为我国宇宙线事业的第一代学科带头人而自豪．

我国的宇宙线研究大体可以分为三个阶段，从建国初期到1973 年左右，大体可看成宇宙线研究的第一阶段，在前辈们的带领下，侧重于以云雾室为主要探测工具的高能宇宙线相互作用的研究和奇异粒子的寻找．1954 年在云南落雪山海拔3180m处建立了中国第一个高山宇宙线实验室．安装了赵忠尧、王淦昌从美国带回的50cm 多板云室，建造了30cm 磁云室．用这两个小云室探测到700 多个奇异粒子(主要是Λ0超子和K0s(θ0)介子)事例，并对它们进行了全面分析，还研究了宇宙线粒子电磁簇射现象和高能电子直接产生电子对的截面等，发表了一批好文章，例如文献．1958 年，在大跃进形势下，在张文裕、肖健、力一领导下，在原落雪山实验室附近9km处海拔3220m海子头山顶上建设了新的高山宇宙线站，实验设备由三个大型云室组成，上层为靶室，中层为磁云室，下层为多板室，对单电荷粒子的最大可测动量为100 GeV/c，电离测量误差为10％，设备的总重近300 吨，在当时是世界同类装置规模最大、水平最先进的仪器之一．在当时的经济条件下，能建设这样一套大云室系统，已经是很大的投入了．最初，大云室的物理目标放在超过当时加速器能量(几十GeV)的高能物理研究上．因为经历三年困难时期，大云室的建造花了7年时间，到1965 年建成，后又因“文化大革命”，岁月蹉跎，研究工作受到影响，到60 年代末，国际上加速器的能量已提高到与大云室相同的量级，原定的高能物理的研究方向已不具优势．于是，研究组根据当时粒子物理前沿的热点课题，突出了寻找夸克(我国粒子物理理论家曾称为层子)的研究．夸克(quark)可能具有1/3 或2/3 分数电子电荷，大磁云室能够可靠地鉴定分数电荷粒子，但是实验中没有找到分数电荷粒子(以后的研究表明，夸克是存在的，但是被囚禁在强子内，所以找不到)，却在1972 年获得了一个可能的重质量粒子事例．后来研究组又较系统地测量了3220m高度的μ子强度和能谱，测量了π-介子、质子、反质子等的流强以及它们之间的比值，其中反质子流强是当时国际上的首次实验结果．此外，还有高山宇宙线高能粒子形态学的测量，对研究宇宙线在大气层中的传播和超高能核作用模型的检验也具有重要意义．

大型强子对撞机10年内发现59个新强子，有助科学家进一步揭示物质的秘密

2012年，大型强子对撞机（LHC）发现“上帝粒子”希格斯玻色子，一举成名天下知！据欧洲核子研究中心（CERN）网站3日报道，除这一让其彪炳史册的重大发现外，在过去10年间，LHC还发现了59个新强子，有助科学家进一步揭示物质的秘密。

强子并非基本粒子，早在上世纪60年代，科学家们就已在加速器和宇宙线实验中发现了100多种强子。1964年默里·盖尔曼和乔治·茨威格分别独立提出夸克模型：所有强子都是由“夸克”组成的复合粒子。夸克是科学家认为不能再分割的一种基本粒子，强子中最稳定的是质子和中子，质子和中子分别由两个上（下）夸克和一个下（上）夸克组成。

与德米特里·门捷列夫创建元素周期表150多年后研究人员仍在不断发现新同位素一样，很多粒子物理学家也致力于追寻并研究夸克可能形成的各种新复合态。

尽管科学家们在不断深入研究的基础上，提出了量子色动力学（QCD），以描述强子内部夸克之间的相互作用，但他们仍然无法准确预测夸克如何“成群结队”形成强子。

此外，盖尔曼在1964年发表的关于夸克的论文中，也描述了包含三个以上夸克的粒子出现的可能性，而这也在日后获得证实——科学家们历经数十年努力，终于在实验中确认了第一个由四个夸克组成的强子以及第一个由五个夸克组成的强子。

LHC发现的这59个强子可谓形态各异：有些由五个夸克组成、有些由四个夸克组成，有些则是重子（由三个夸克组成）和介子（由夸克-反夸克对组成）的高能（激发）态。

这些新粒子的出现及对其性质展开测量提供的数据，为科学家们验证夸克模型的极限提供了重要信息，使他们能进一步了解强相互作用，验证理论预测并精调模型。而且，这些数据对于在LHC上进行的研究尤其重要，因为强子对撞时出现的绝大多数情况都与强相互作用有关。科学家们对强相互作用的理解越透彻，就越能精确模拟这些碰撞，也就越有可能发现与预期不一致的地方，从而更好地找到新物理学的“蛛丝马迹”。