夸克是怎么被发现的？

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夸克（英语：夸克）是一种参与强相互作用的基本粒子，也是物质的基本单位。 夸克结合形成一个叫做强子的复杂粒子。 最稳定的强子是质子和中子，它们是构成原子核的单位。 由于称为“夸克约束”的现象，夸克不能直接观察或分离，而只能在强者中找到。 由于这个原因，我们对夸克的大部分知识来自对强子的观察。

发现过程

机会

在19世纪末，居里夫人打开了通向原子的大门，证明原子不是最小的物质粒子[38-39]。科学家很快发现了两种亚原子粒子：电子和质子。 1932年，詹姆斯·查德威克发现了中子，这次科学家认为他们发现了最小的粒子。

粒子加速器是在20世纪30年代中期发明的，它使带电粒子加速与高能量碰撞。在20世纪50年代，Donald Glaser发明了气泡室，它将亚原子粒子加速到接近光速，然后喷射出充满氢气的低压气泡室。当这些粒子与氢核碰撞时，它们会产生一组新的不熟悉的粒子。当这些粒子从碰撞点扩散时，它们会留下极小的气泡，从而暴露出它们的轨迹。科学家们无法看到颗粒本身，但他们可以看到这些气泡的痕迹。使用气泡室图像，科学家可以估计每个粒子的大小，电荷，运动方向和速度，但不能识别它们。到1958年，已有近100个名称用于识别和描述这些检测到的新粒子。

提议者

1937年9月15日，夸克的支持者之一默里·盖尔曼出生于纽约的一个犹太家庭。小时候，他对科学产生了兴趣。他14岁时进入耶鲁大学。他于1948年获得学士学位，然后转到麻省理工学院。三年后，他获得了博士学位。他才22岁。 1951年，格尔曼前往普林斯顿大学，在高等教育学院工作。他于1953年作为讲师前往芝加哥大学。他加入了以费米为中心的研究小组。 1955年，格尔曼加入加州理工学院，担任理论物理学副教授，后来成为加州理工学院最年轻的终身教授。

Quark的另一位支持者是George Zweig，他出生于俄罗斯莫斯科的一个犹太家庭。在Richard Feynman的指导下，他应该是一名粒子物理学家，后来转向神经生物学。他曾在洛斯阿拉莫斯国家实验室和麻省理工学院担任科学研究员，但在2004年转为财务。

推理假设

根据格尔曼的说法，如果应用了几个关于自然的基本概念，那么就有可能找到当时发现的超过一百种粒子。他首先假设大自然简单而对称。他还假设，与所有其他自然物质和力一样，这些亚原子粒子是守恒的（即质量，能量和电荷在碰撞中不会丢失，但会被保留）。在这些理论的指导下，格尔曼开始对核裂变反应进行分类和简化。他创造了一种叫做陌生感的新测量方法。他介绍了量子物理学这个词。奇点可以在每个粒子的量子态中测量。他还假设每一个反应都保留了奇点。

造型

格尔曼发现自己能够建立简单的核裂变或合成反应模式。但是有几种模型似乎不符合保护法则。然后他意识到，如果质子和中子不是基本物质，而是由三个较小的粒子组成，他可以使所有碰撞反应遵循简单的守恒定律。

证明

经过两年的努力，格尔曼证明了这些较小的粒子必须存在于质子和中子中。他将其命名为“k-works”，后来将其缩写为“k works”。不久之后，他在詹姆斯乔伊斯的作品中读到了一个“三夸克”的短语，并重新命名为新的粒子夸克。

麻省理工学院的杰罗姆·弗里德曼，斯坦福直线加速器中心（SLAC）的亨利·肯德尔和理查德·泰勒利用当时最先进的两公里电子直线加速器在斯坦福从1967年到1973年，用于电子到质子和中子的深度非弹性散射。一系列开创性的实验在1990年获得了诺贝尔物理学奖。这表明人们最终承认科学中存在夸克。

斯坦福直线加速器中心的实验类似于E. Rutherford为验证核模型所做的实验。就像卢瑟福预测由于大量α粒子的大角度散射而在原子中存在原子核时，斯坦福直线加速器中心前所未有的大量电子的大角度散射证实了存在一些成分。核子结构。

尽管格尔曼和茨威格理论上预测了夸克的存在，但在麻省理工学院团队在斯坦福直线加速器中心进行的实验之前，没有人能用令人信服的动态实验来证明这一点。事实上，在那个时期，理论家对理论中的夸克的作用并不清楚。正如C. Jarlskog在诺贝尔奖颁奖典礼上向瑞典国王介绍获奖者时所说的那样，“夸克假设并非当时唯一的假设。例如，有一种称为'核民主'的模型，它说没有颗粒可称为基本单元，所有颗粒均为基本单位，相互构成。

1962年，斯坦福开始建造一个能量为10-20 GeV的大型直线加速器。经过一系列改进后，能量可达到50 GeV。两年后，斯坦福直线加速器中心主任W. Panofsky得到了几位年轻物理学家的支持，他们与斯坦福高能物理实验室的主任一起工作，包括领导实验团队的泰勒。弗里德曼和肯德尔很快加入进来。他们是麻省理工学院的老师。他们一直在5 GeV剑桥电子加速器上进行电子散射实验，这是一种容量有限的回旋加速器。但在斯坦福大学将会有一个20 GeV加速器，它会产生“绝对强大”的辐射束，高电流密度和外部辐射。束。加州理工学院的一个团队也加入了合作。他们的主要工作是比较电子 - 质子散射与正电子 - 质子散射。因此，斯坦福直线加速器中心，麻省理工学院和加州理工学院的科学家组建了一支庞大的研究团队（称为A组）。他们决定建造两个能谱仪，一个大型接受8 GeV，另一个接受20 GeV。新设计的光谱仪和早期光谱仪之间的区别在于它们在水平方向上逐点聚焦，而不是在旧设备中逐点聚焦。这种新设计允许散射角度水平发散，动量垂直发散。动量测量可达0.1％，散射角精度可达0.3毫弧度。

当时，物理学的主流认为质子没有点结构，因此他们预期散射截面会随着Q的增加而迅速减小（q是传递给核子的四维动量）。换句话说，他们预计大角度散射将是罕见的，并且实验结果出乎意料地大。在实验中，他们使用各种理论假设来估计计数率，其中没有一个包括组成粒子。一种假设使用在弹性散射中观察到的结构函数，但实验结果与理论计算不同一到两个数量级。这是一个惊人的发现，人们不知道这意味着什么。世界上没有人，包括发明者和夸克理论家，可以特别准确地说：“你去夸克，我相信它们处于核心。”在这种情况下，斯坦福直线加速器中心的理论家Bjorken提出了校准独立性的想法。当他于1965年2月回到斯坦福时，由于环境的影响，他自然开始再次研究电子。

回忆起1961年斯坦福学术会议上L. Schiff的听证会，非弹性散射是一种研究质子中瞬时电荷分布的方法。该理论解释了电子非弹性散射如何给出原子核和中子在原子核中的动量分布。那时，格尔曼将流代数引入场论，抛弃了场论中的一些误差，维持了流代数的交换关系。 S. Adler使用局部流动代数推导出中微子反应的求和规则。 Biyoken花了两年的时间研究高能电子和中微子的散射，使用流动代数来计算结构函数与求和规则的积分，并找出结构函数的形状和大小。结构函数W1和W2通常是两个变量的函数。这两个变量是四维动量传递的平方Q和能量转移v.Byyoken认为结构函数W2仅取决于这些变量的无量纲比率_ = 2M v / q（M表示质子质量），即vW2 = F（ _），这是Biyoken规模独立。在推导规模独立性时，他使用了许多并行方法，其中最具推测性的是点结构。流代数的求和规则意味着点结构，但它不要求点结构不应该是不可能的。然而，根据这一建议，Bjorken结合其他一些强相互作用概念，如Reggie极和求和规则的收敛，自然地获得了结构函数校准的独立性。

当提出校准无关性时，许多人不相信它。正如弗里德曼所说，“这些想法是提出来的，我们并没有完全确认它们。他是一个年轻人，我们发现他的想法令人吃惊。我们不希望看到点结构。他只是说了很多垃圾在1967年末和1968年初，深度非弹性散射的实验数据已经开始积累。当Kendall向Bjorken展示新的数据分析时，Bjorken建议使用缩放独立变量来分析数据。按照旧的绘图方法，Kendall说，“数据分散的，就像用爪子纸覆盖的鸡爪印。当根据Biyoken的方法（W2 vs._）处理数据时，它们以强大的方式聚合[25]。我记得巴尔默的感受，当他发现他的经验关系时，氢谱的波长是绝对精确拟合的。 1968年8月，弗里德曼在第14届高能物理国际会议上报告了第一个结果。作为国会的领导人，帕诺夫斯基犹豫不决提出核点结构的可能性。

当从20 GeV能谱仪收集6和10的散射数据时，A组开始用8 GeV能谱仪散射18 26和34。基于这些数据，我们发现第二结构函数W1也是单个变量_的函数，也就是说，它遵循Bjorken尺度独立性[25]。所有这些结果至今仍然是正确的，即使在更精确的辐射校正之后，结果之间的差异也不超过1％。自1970年以来，实验者已经对中子进行了类似的散射实验，其中氢（质子）和氘（中子）交替测量每个小时一小时，以减少系统误差。

早在1968年，加州理工学院的费曼就认为强子是由较小的“部分”组成的。当他于同年8月访问斯坦福直线加速器中心时，他发现非弹性散射数据与Bjorken尺度无关。费曼认为，在高能相对论核子中，部分近似自由分布，也就是说，结构函数与部分的动量分布有关。这是一个简单的动态模型和Bjorken视图的另一个版本。费曼的工作极大地刺激了理论工作，并出现了一些新的理论。在C.Gllan和D.Gross得出W 1与W 2的比值R与部分自旋密切相关之后，斯坦福直线加速器中心-MIT的实验数据和Feynman对夸克的要求消除了其他假设。中子数据分析清楚地表明，中子产率与质子产率不同，这进一步否定了其他理论假设。

一年后，欧洲核研究中心（CERN）重型液泡室中的非弹性中微子散射扩展了斯坦福直线加速器中心的实验结果。随后的μ子深非弹性散射，电子 - 正电子碰撞，质子 - 反质子碰撞和强子喷射都表现出夸克 - 夸克相互作用。所有这些都强有力地证明了强子的夸克结构。

物理中夸克的接受花了几年时间，主要是因为夸克的点结构与强子中的强约束之间存在矛盾。正如乔尔斯科格在诺贝尔奖颁奖典礼上所说，夸克理论无法完全和独特地解释实验结果。获得诺贝尔奖的实验表明，质子还含有一种电中性结构，很快被发现是“胶子”。

胶子将质子和其他粒子中的夸克胶合在一起。 1973年，Gross，F。Wilczek和H. D. Politzer独立发现了非阿贝尔规范场的渐近自由理论。根据这一理论，如果夸克之间的相互作用是由色规胶子引起的，则夸克之间的耦合会在短距离内以对数方式减小。该理论（后来称为量子色动力学）很容易解释斯坦福直线加速器中心的所有实验结果。另外，与渐近自由相反，长距离耦合强度（称为红外奴隶制）的增加说明了夸克约束的机制。格尔曼的父亲格尔曼在1972年的第16届高能物理国际会议上说：“理论上，夸克在实验室中不需要真正可测量。此时，像磁单极子一样，它们可以存在于想象中。”简而言之，斯坦福直线加速器中心的电子非弹性散射实验显示了夸克的点状行为，即量子色动力学。实验基础。

1967年，Steven Weinberg和Abdus Salam独立地获得了弱电的统一规范理论[9] [10]。为了在1970年将夸克弱相互作用引入模型，Grashaw等人。通过引入魅力夸克改进了Kabbiber在经典的四费米弱相互作用中引入的方法，并且在1974年证明有必要引入。 1973年，日本物理学家Kobayashi Kobayashi和Isawa Minying引入了第三代夸克来解释弱相互作用中时间反演的损害，这通过实验得到证实并获得了2007年诺贝尔物理学奖。

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