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粒子物理学 Particle Physics 从某种程度上说，粒子物理学的研究就好比是在剥洋葱，将其外层一层层的剥离，直到我们能够研究构成它的最小粒子。令人惊喜的是，这些微小的粒子为物理学家研究广漠宇宙的深层秘密提供了新视角。 ○ 一个原子包含了质子（proton）、中子（Neutron）和电子云（Electron cloud）。 | 图片来源： DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON 无论是洋葱或是其它物质都是由原子组成的，在每个原子的中心是由核子——质子和中子——构成的原子核。当我们对质子进行“解剖”的时候，就会发现它的内部非常复杂，它包含了三个夸克：一个负电荷的“下”夸克（d）和两个正电荷的“上”夸克（u）。 ○ 质子（proton）和中子（neutron）的内部都是由上夸克（up quark）和下夸克（down quark）组成的。 | 图片来源： DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON 但是，三个夸克的图景仍然太过简单了。伴随着它们的是一群混乱的瞬时粒子。有许多短暂存在的海夸克，会不停的出现以及湮灭。（海夸克是存在于核子内的夸克-反夸克对的中间状态，这一状态存在的时间非常短暂。）此外，还有将质子“粘合”在一起的无质量的胶子。胶子是强核力（四种基本力之一）的信使，使夸克相互吸引。 ○ 事实上，质子和中子的内部要复杂的多。除了三个价夸克（valence quark），内部还有许多夸克-反夸克对不断地产生以及湮灭。黄色代表着胶子，正是它们通过强核力将夸克束缚住。夸克还有一个性质跟强核力有关，被称作“色荷”——图中显示为红、绿和蓝色。 | 图片来源： DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON 这种混乱的局面使质子的许多性质难以理解，尤其是质子的自旋之谜。自旋是所有基本粒子所具有的内禀角动量。对基本粒子的自旋的了解有助于科学家理解它们的物理和化学过程。任何材料的基本性质都由自旋所掌控的，因此，材料在不同温度下的行为、它的导电性以及其它性质都跟粒子的自旋有关。例如，非导电材料在超级低温下突然相变为超导体就跟自旋有关。 质子的自旋为1/2，起初，物理学家认为它的自旋主要来自夸克的贡献。夸克的自旋为1/2，因此只要质子内的其中两个夸克的自旋方向相反，那么它们就会相互抵消产生共1/2的自旋。但到了1987年，欧洲μ子实验组进行的一系列高能物理实验引发了所谓的“质子自旋危机”。由CERN、DESY和SLAC所进行的实验给出了令人意外的结果：夸克对质子的自旋贡献仅为30%！当然，从刚才质子内部复杂的图景中，我们应该就可以判断事情绝不简单，质子内部的胶子和海夸克等其它效应对质子的自旋应该都有所贡献。 ○ 过去，物理学家一直认为质子的自旋主要是由三个价夸克（左边，箭头表示了自旋的方向）贡献。但其实，胶子和短暂存在的海夸克通过它们的自旋和运动（灰色箭头）也有贡献。 | ○ 过去，物理学家一直认为质子的自旋主要是由三个价夸克（左边，箭头表示了自旋的方向）贡献。但其实，胶子和短暂存在的海夸克通过它们的自旋和运动（灰色箭头）也有贡献。 | 图片来源： DEUTSCHES ELEKTRONEN-SYNCHROTRON |
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