夸克被“关禁闭”？原来是人类没法子让它“现身”……

1974年丁肇中和里克特发现了J/ψ粒子，1977年莱德曼发现了Y粒子，至此粲夸克和底夸克也被人们在实验中证实了。这使得夸克模型逐渐深入人心，200多种粒子通过不同的夸克就可以进行分类了，唯独可惜的是夸克由于夸克禁闭的原因，至今为止还没有现身。

夸克为什么会被关禁闭呢？之前咱们介绍过，最早人们发现夸克禁闭是在SLAC做的一系列实验当中得出的结论，当时人们使用了接近20GeV能量的电子去轰击质子，结果发现质子当中确实好像存在一些微小的带电体，怀疑是夸克。后来随着设备能量的提升，从几十G到几百G，到现在已经几百T了，即便这么高的能量，然后再使用质子对撞的方法也不能把夸克撞出来。所以人们才被迫给出了夸克禁闭的说法。再后来量子色动力学QCD的出现夸克禁闭有了另外一种描述。实际上早在1965年也就是盖尔曼提出夸克模型的第二年，量子色动力学QCD就出现了，量子色动力学理论认为每一种夸克都具有独特的味，也就是有6种味道的夸克，然后每一味夸克又可以具有三种颜色红、绿、蓝，反夸克具有反颜色，这个属性叫做色荷。但是显然这个味道和颜色并不是我们理解的味道和颜色，它单纯表示了两种新的量子数。QCD也是一种场论，所以同样需要有一种粒子来传递相互作用，也就是夸克与夸克之间的强力由谁来传递呢？这个粒子叫做胶子，胶子一共有8种，就是根据色荷来区分的。至此我们终于知道强子的内部构成了，由夸克和胶子组成的。夸克为啥看不见呢？现在也可以换一种说法了，因为组成强子的每一种夸克必须颜色不同，也就是红绿蓝各有一种，因此三种颜色叠加就变成了白色，我们看到粒子都是白色的，除了白色，其他颜色的粒子是看不见的，这也被称作色禁闭。

但你可能会觉得，色禁闭这种说法也是换汤不换药，不是本质原因，因为就连夸克的颜色属性都是人为规定的，那色禁闭可信吗？直到1973年有三个人在解决其他问题的时候貌似给出了夸克禁闭的另一种解释。

当时的量子场论出了点小状况，有一部分人怀疑量子场论不靠谱，理由很简单，就是当两个粒子无限接近的时候会出现作用力的无穷大。在物理学史上这个无穷大太可怕了，惹了很多麻烦。举个例子，比如说引力，两个物体的万有引力是和距离的平方成反比的，说白了就是距离越近引力就越大。那你就会发现当这个距离趋近于0的时候，引力就会是无穷大。好在宏观中不存在这个现象，因为我们做不到无限接近，但是粒子就不一样了，有些粒子甚至没有大小的概念。所以当时物理学家朗道就怀疑，QCD很可能会出现这个作用力无穷大的现象，他还给起了个名叫做“朗道奇点”。于是当时有两个人就以“朗道奇点”为出发点，想要去证明QCD有问题。这二位是一对师生，老师叫做格罗斯，学生叫做维尔切克。QCD的理论基础是杨-米尔斯规范场，所以他俩就开始研究杨-米尔斯规范场，试图证明它是错误的。结果，通过数学一顿推导，发现在数学中，杨-米尔斯规范场中的两个粒子无限接近的时候，他们的作用力并不是无穷大的，恰恰相反，而是趋于无穷小的。在一定范围内，越接近力越弱。当时人们就给这个现象起了个名叫做渐进自由。也就是在一定范围内粒子越接近它们就越自由，相反离的越远，作用力反而更大了。于是他俩就发表了一篇论文，几乎与此同时另外一个人叫做波利策，他也得到了相同的答案，也发表了一篇论文。这回好了，不但没有证明QCD理论有问题，反而让QCD名声大噪，因为渐进自由理论一出现，朗道奇点自然就不会出现了，而且人们还发现，渐进自由貌似还可以解释夸克禁闭，就是夸克为啥不能单独出现呢？因为越想把夸克分开，强力就会越大。三个人更没想到，随着越来越多渐进自由的现象在实验中被发现，时过31年，也就是到了2004年他们还获得了诺贝尔物理学奖。

那渐进自由会是夸克禁闭的本质原因吗？到了后来弦理论也试图给出夸克禁闭的原因，弦理论认为夸克之间是由一条弦相连接的，当我们试图把这个弦剪断的时候，就会在断开处迅速出现一对正反夸克对，这样这条弦就又有了新的端点，构成新粒子了。不过弦理论本身还没有证实呢，这种解释自然也不太经得住考验。目前人们发现夸克禁闭很有可能是由于真空的性质造成的，但是不是真相现在也未可知。

至此，粒子物理学标准模型当中的61个基本粒子就已经发现了60个了。咱们来算一算，首先夸克6种，上下奇粲底顶，不过这只是6种味道，还有色荷呢。颜色有三种，3x6=18 然后再加上相应的反粒子，所以夸克一共是36个。然后轻子6种，电子、μ子、τ子以及电中微子、μ中微子、τ中微子，再加上他们的反粒子，轻子一共是12个。夸克加上轻子就是构成物质的粒子，总共是36+12=48个。除此之外还有传递相互作用力的规范玻色子，其中有传递强力的胶子8种，传递电磁力的光子1种，传递弱力的W±和Z0三种，一共是12种，48+12刚好60种。那为啥说现在的标准模型有61种基本粒子呢？会是引力子吗？不是，引力不在标准模型范围内，所以引力子不算，而且引力子也没被证实呢。最后一个粒子就是号称上帝粒子的希格斯玻色子，严格来说，标准模型要想成立，希格斯玻色子必须存在，所以人们在建立标准模型的时候就直接把希格斯玻色子放进来了，但是这个上帝粒子又是什么呢？能不能找到呢？

作者：妈咪说 科普创作者

审核：罗会仟 中国科学院物理研究所副研究员

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