奇异星、及夸克物质 - Department of Physics, CUHK.PPT

夸克子、奇異星、及夸克物質Quarks, Quark Matter and Strange Stars 朱明中 香港中文大學物理系 夸克子(quarks)與強作用力(strong force) 夸克子之禁閉(confinement) 發現夸克子: 高能電子-核粒子散射實驗 (deep inelastic electron-nucleon scattering) 夸克物質(quark matter): 重塑宇宙之初！ 奇異星(strange stars) 中大相關研究 夸克子與強作用力Quarks and strong force 夸克子與強作用力 強作用力(strong force): 四種基本力之一 主控核粒子nucleons（及所有強子hadrons）之相互作用 如質子protons，中子neutrons, ?介子mesons，K介子，?粒子???? 強子(hadrons)= 帶強作用力粒子 夸克子與強作用力 所有強子由夸克子組成 (M. Gell-Mann + G. Zweig, 1964) 夸克子有六種: u (up), d (down), s (strange), c (charm), b (bottom/beauty), t (top) 夸克子帶強荷、弱荷、電荷、質量 夸克子直徑小於10-18m 夸克模型 (Quark Model) 強子=夸克之「無色」(colorless)組合 （~原子=原子核＋電子之中性電荷組合） 兩種方式: ( r+g+b) →重子 (baryons) (r+r ) →介子 (mesons) 例如: 質子(protons) = uud (rgb) 中子(neutrons) = udd (rgb) 介子 ( mesons) = ud (bb) K0 介子 ( K0 mesons) = ds (r r ) 強作用力 (strong interaction) 夸克子交換膠子(gluons) 膠子帶兩種色，無質量 夸克子每吸／放膠子都「變色」，如 夸克子之禁閉  (quark confinement) 夸克子之禁閉 夸克子，膠子間強作用→緊密連結成強子 每一強子內有不定數量之夸克子及膠子，隨生隨滅 高能撞擊亦未能釋出自由夸克子→禁閉 彈簧模型 (spring/string model) 兩夸克子之強作用力像彈簧 漸近自由Asymptotic freedom 強荷隨夸克距離而改變(running coupling constant) 長距離時強荷強→相互作用大→禁閉 夸克/膠子短距離 ( m) 相互作用微弱→自由夸克/膠子 D. Gross, H. D. Politzer, F. Wilczek於一九七三年發現 高能電子-核粒子散射實驗deep-inelastic electron-nucleon scattering 盧瑟福散射(Rutherford Scattering) 以高能粒子撞擊目標，從散射情況得知目標結構 盧瑟福以高能(20000m/s) ?粒子撞擊金箔，發現有少數(1/20,000)粒子被大角度散射，得知原子內有細小而堅固的原子核 盧瑟福並已推測中子(neutrons)之存在 盧瑟福散射(Rutherford Scattering) 查德威(Chadwick)用更高能撞擊把原子核打破，釋出中子及質子，證明中子之存在 (1932) 原子核半徑~10-14m， 核粒子半徑~10-15m，皆遠小於光波長，必需用高能粒子 高能電子散射 粒子愈高能，愈能感應微細結構→更高「解像度」(resolution) 研究核粒子結搆→用更高能電子（沒有強作用） SLAC-MIT 研究組於1966-1978 利用幾十億電子伏特(20GeV)能量之電子撞擊核粒子 發現大角度散射遵從盧瑟福散射 費曼(R. Feynman): 核粒子內有質點(point particles) =“部份子(partons)”→夸克子 自由夸克何處尋? 夸克物質 (Quark matter) 高能重離子碰撞Ultra-relativistic Heavy-ion collisions QCD理論預測高溫或高密度時強荷變弱 至高溫或高密時可「釋放」夸克: 相變(phase transition) 如液態水→蒸氣 製造夸克物質 高能重離子對撞→高溫火球 →夸克–膠子漿 (Quark-gluon Plasma)? 火球急速膨脹、降溫，夸克物質只維持約10-23s 夸克–膠子漿冷卻至TTc轉化成強子（?