原子核內(nèi)粒子的間的強作用力是原子核內(nèi)起維系作用的力,它將質子和中子中的夸克束縛在一起,并將原子中的質子和中子束縛在一起。
1967年初,美國斯坦福大學20GeV的電子直線加速器建成(右圖),隨著能量增大,實現(xiàn)了高能電子的“深度非彈性散射”,出現(xiàn)了新現(xiàn)象。由于質子的直徑約為(10)^(-13)厘米,高能電子正好可探測到質子內(nèi)部,因此被稱為電子-質子的深度非彈性散射。實驗發(fā)現(xiàn),質子內(nèi)有無數(shù)點電荷,且基本上是自由運動的。
這一發(fā)現(xiàn)令科學家們大吃一驚。
1969年,美國科學家費曼(Richard Philips Feynman,1918-1988)(左圖)提出了部分子模型(parton model),他認為強子是由許多帶電的點粒子構成,這些點粒子稱為部分子,在高能電磁相互作用和弱相互作用過程中可以近似作為相互獨立的粒子。
部分子模型和夸克模型是從不同的角度、用不同的方法,得出了同樣的結論。
部分子模型和夸克模型結合起來描述:強子是夸克通過色相互作用結合成的復合粒子,強子內(nèi)的部分子可以由三類粒子組成:一類稱為價夸克,它們的數(shù)目和味是確定的,并隨不同強子而不同,價夸克決定強子的性質;第二類稱為??淇耍鼈兊臄?shù)目和味
是不確定的,但其總和的味性質和真空相同;第三類稱為膠子,它們的數(shù)目不定,其味性質和真空相同,起傳遞色相互作用的作用。
質子內(nèi)部除了uud 三個夸克(價夸克)外,在極高能量的電子打入后又被激發(fā)出了無數(shù)的正反夸克對(q`q)(??淇耍?,所以才看到了無數(shù)的“自由運動”的點電荷(右圖)。這樣,在低能下看到的質子(由三個夸克組成)和在高能下看到的質子(內(nèi)部有無數(shù)個幾乎自由運動的點電荷粒子)就統(tǒng)一起來了。正反夸克對(q`q)的“自由運動”意味著強作用力在能量升高時“變?nèi)酢薄?
1973年,美國科學家格羅斯(David Jonathan Gross,1941- )(左 圖左)、波利茨(Hugh David Politzer,1949- )(左 圖中)、威爾茨克(Frank Wilczek,1951- )(左圖右)通過一個完善的數(shù)學模型說明:夸克之間越接近,強作用力越弱。當夸克之間非常接近時,強作用力是如此之弱,以便到它們完全可以作為自由粒子活動。這種現(xiàn)象稱為“漸近自由”(Asymptotic Freedom)。反之,夸克之間距離越大,強作用力就越強。“漸近自由”的發(fā)現(xiàn)導致了全新的理論——量子色動力學(QCD)的誕生。
量子色動力學解釋了膠子(gluon)的存在(膠子是強子中的電中性粒子,其作用是使夸克粘合而形成強子,膠子有八種態(tài)),認為帶色的夸克通過交換膠子而結合,即夸克與夸克、或夸克與反夸克、或反夸克與反奈克之間通過膠子而結合在一起(右圖)。凡帶有色荷的粒子能放出和吸收膠子,從而實現(xiàn)強相互作用。吸收和放出膠子可使夸克改變顏色。而原子核內(nèi)的核力是核子內(nèi)夸克之間強相互作用力的剩余效應。
實驗中一直沒有發(fā)現(xiàn)自由夸克和膠子的存在。因夸克和膠子都有“色”量子數(shù),一種猜測是帶有顏色的夸克和膠子就像被囚禁在整體無色的“牢籠”里面,這種現(xiàn)象稱為“色禁閉”(color confinement)?!吧]”的解釋已有各種理論證據(jù),但仍然屬于研究的前沿問題。