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探索夸克
日期:2002年06月25日     

    物质是由分子组成的,分子是由原子组成的,原子是由原子核和电子组成的,而原子核是由质子、中子(统称核子)组成的。

  这曾经是许多人从中学时期就已经得到的常识。现在它应当添上这样一句:质子和中子又是由夸克组成的。

  我们知道纷繁复杂、千姿百态的物质细分下去依次是分子、原子、中子、质子和电子。这些粒子人们不仅可以通过电子显微镜等辅助设备在实验室直接或间接地观察到,而且掌握的有关这方面的知识已经在实际中得到了应用 。那么物质组成的基本粒子——夸克到底有什么特性呢?

  目前物理学家们还没有办法得到单独存在的夸克,但是他们已经发现夸克共有六种:上夸克,下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克。上夸克,下夸克质量较轻, 而其余4种夸克,质量较大。一般中子和质子都是由上夸克和下夸克组成的。物理学家们还发现所有的夸克粒子都有其对应的反粒子,如果用外力想强行分开它们,他们会各自迅速找到另外的伙伴。为了揭开夸克的秘密,科学家们通过研究一对正、反粲夸克即粲夸克偶素来推断粲夸克之间的相互作用,从而推断夸克的各种特性。

  我国物理学家们在北京正负电子对撞机上,把通常可以得到的电子和正电子加速到很高能量,然后让它们进行碰撞,发生反应,得到粲夸克偶素。夸克寿命非常短,需要借助高性能的测量仪器才能 观测到它曾经短暂的存在。夸克非常小,以至于物理学家们把它看成是小到没有形状的一个点;夸克很轻,如果把一个西瓜大的铅球的质量当成是一个氢原子的质量,那么最重的夸克质量还赶不上芝麻粒大小的棉花呢。

  我国科学家在这个领域, 发现了一系列有意义的反常现象,做出了多项世界一流水平的研究成果, 引起了国际理论界的浓厚兴趣和研究热情,推动了夸克理论的进一步进展。国际粒子物理界权威文献《粒子物理评论》(2000年版)收录的90年代以来的共113项粲夸克偶素物理方面的粒子数据中,我国的实验数据就占了74项,占世界数据总量的65%. 其中20多项数据是国际上首次报道的,相当一部分测量达到了世界最高精度。完全可以说我国在这个能区的研究水平是世界第一。

  人类文明的历史在很大程度上是不断认识、了解自然力和开发新能源的过程:从掌握火、驯服化学能到了解原子核和控制原子能,人们仰仗的是物理学的知识。如果有一天,我们能够充分认识基本粒子及其相互之间的作用力并掌握和利用“粒子能”,那么这种利用的效果将是空前壮观的。