摘要：粒子物理是研究物质基本组成及其相互作用的物理学分支，在宇宙大爆炸的初期，宇宙中有的只是极高温度的热辐射和隐现的高能粒子。早期宇宙成了粒子物理学的研究对象，粒子物理学家也希望从宇宙早期演化的观测中获得信息和证据来检验极高能量下的粒子理论，这样物理学中研究最大对象和最小对象的两个分支——宇宙學和粒子物理学就奇妙地联系在了一起。主要介绍了粒子物理的基本粒子及其相互作用。
关键词：基本粒子;相互作用;渐近自由;等离子体
中图分类号：0320
文献标识码：A
DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.037
1 粒子物理的基本粒子简介
你知道原子中的正电荷与电子是如何分布的吗？最早，汤姆逊提出了枣糕模型，即原子质量与正电荷如同糕点均匀分布，电子则如同枣一样嵌入在糕点之中。后经a粒子散射实验发现，放射性元素发出的a粒子穿过金箔后射到荧光屏上产生闪光点可用显微镜观察到，绝大多数a粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数a粒子发生较大偏转，极少数a粒子甚至被反弹回来。这些证实了汤姆逊枣糕模型是不正确的，因为电荷并不是均匀分布的。之后，卢瑟福提出了核式结构模型，即在原子中心有一个很小的核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在核里，而电子则在核外空间里绕着核旋转。这是人们所认可的模型，经过多年的实验检测，也是正确的核子模型。
质子和中子被统称为核子。1930年，博特和贝克尔发现金属铍在a粒子轰击下产生一种贯穿性很强的辐射。1932年，居里夫妇用其轰击石蜡打出质子，他们都认为这是一种高能量的γ射线，但是查德威克断定这种射线不可能是γ射线，因为γ射线不具备从原子中打出质子所需要的动量，并且他认为只有假定这是一种质量跟质子差不多的中性粒子才能解释这一现象。经过不断检验，他的这一假设被证实是完全正确的。那么他们为什么会聚集在原子核内部，而不跑出来呢？核力是能够克服质子之间的库仑斥力，使核子结合成原子核的力，它只在原子核的限度内存在并且对质子与中子”一视同仁”，对它们都有极强的束缚作用，使它们无法逃出原子核。由于核力只存在于相邻核子间，所以增加核子数并不能显著增大核子间的束缚能力。原子核的稳定性取决于核力与库仑力的较量。轻核束缚能小是因为没有足够的核子来提供核力，而重核束缚能小是因为库仑斥力随着质子数增加而变大，这也是核反应堆中的链式反应的原理。如果单纯增加中子也会遭受泡利不相容原理引起的斥力，那么什么又是泡利不相容原理呢？在费米子组成的系统中不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态，这是成为电子在核外排布成周期性从而解释元素周期表的准则之一。
所有的粒子都无法逃出原子核吗？其实不然，不稳定的原子核自发地放出射线而转变为另一种原子核的过程称为衰变。a衰变为原子核自发地放射出a粒子而转变成另一种核的一种过程，原子序数大于82和质量数大于209的放射性元素以a衰变为主。根据不确定性原理，a粒子可以在短时间内”借取”某些能量逃逸到其他核子势力范围之外，在库仑斥力下成为自由粒子。把粒子想象成一个犯人，他被囚禁在原子核监狱中，后来有一天他突然爆发了，成功地越狱了，然后他就成为一个自由的人了。
对核子再进行细分，又会是什么成分呢？那就是夸克。夸克是自旋为1/2的费米子，具有六种不同的“味道”，分别为上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克，并且每个夸克可以携带红、绿、蓝三种颜色，这里的颜色只是一种新的自由度/量子数，与日常生活中的“颜色”没有任何关联。带电粒子间的电磁相互作用是通过交换光子而实现的，光子自身不带电。与此类似，具有色荷的夸克之间的强相互作用是通过交换胶子而实现的。当两个夸克的色荷交换胶子时它们自身的色彩会同时改变。胶子会携带发出者的反色彩以补偿发出者的色变，它也会携带接收者的色彩。因胶子本身有色，因此它们也能与其他胶子互相作用。这些胶子与胶子的直接耦合，使色动力学远比电动力学更加复杂，现象也更加丰富。
在自然界中不存在携带颜色的粒子，实验表明，夸克被两两（介子）或者三三（重子）地束缚成无颜色的组合。如果量子色动力学理论是正确的，那么它就必然包含对夸克禁闭的解释，也就是说，一定能够证明夸克只能以无色组合的形式存在于自然界中。
2 夸克渐近自由现象简介
量子色动力学理论最大的成功之一在于发现了该理论中的耦合常数其实并不是一个常数，这个耦合常数是依赖于相互作用粒子间的距离的。虽然在粒子间距相对较大时，耦合常数很大，但是在粒子距离很小时，它变得非常小。这种现象就是量子色动力学两种特有现象之一的渐近自由。
1969年，物理学家奥西夫-赫里波维奇在实验中发现了SU （2）规范场理论具有渐近自由这一现象，但他并未意识到它的重要性，而是把它当成一个有趣的数学问题。1972年，杰拉德·特·胡夫特也发现了这一效应，但是不知是何原因，他并没有宣布发现了渐近自由。直至1973年，格罗斯、弗兰克·维尔切克和柏丽策这三位科学家再次发现了渐近自由，他们知道渐近自由是和强相互作用物理有关的，于是发表了关于渐近自由的发现。因此他们三位获得了2004年的诺贝尔物理学奖。渐近自由的发现对量子场论的再次复兴具有极其重要的意义。在1973年之前，因为朗道奇点的存在，所以很多物理学家对量子场论都持一种怀疑的态度。这个问题在量子电动力学中同样存在，致使不少物理学家都认为朗道奇点是无法避免的。而渐近自由理论恰恰相反，在距离较小时，粒子之间的相互作用会变得非常小，这样就避免了朗道奇点的存在。人们普遍认为这种量子场论，在任何距离尺度下均保持一致。
渐近自由可以通过重整化群中的函数来进行论证，该函数可以描述在重整化群下的“跑动”的耦合常数的变化情况。当粒子间的距离足够小（或者等价地，发生大动量转移时），人们可以通过费曼图的微扰理论计算得到渐近自由。
渐近自由也可以通过屏蔽效应进行定性解释。简单地说，正是由于胶子的色反屏蔽效应大于夸克的屏蔽效应，才导致了夸克的渐近自由。下面将利用屏蔽效应和反屏蔽效应来定性解释渐进自由现象。
在电磁屏蔽的情况下，将一个电荷置于真空之中，其周围的真空将被极化，在一定的有限距离下，真空的极化效应将会和电场发生抵消，这就是熟知的电磁屏蔽效应。
类似的，真空中的夸克也会使真空发生极化，色荷诱导的虚夸克一反夸克对将会产生屏蔽色荷的效果，但是由于胶子自身也携带色荷，因此虚胶子的极化效应不但不会对场产生屏蔽作用，反而会对场产生一个加强的效果，甚至可以改变它的颜色，导致夸克色荷变大，这就是色的反屏蔽效应。当试探夸克与源夸克的距离比较大时，感受到的源夸克色荷增多;而当试探夸克与源夸克距离比较小时，感受到的源夸克色荷减少，所以当距离小的时候，强相互作用就会变弱，这就是夸克渐近自由现象。
3 夸克胶子等离子体介绍
1964年，物理学家提出了两个关于强相互作用的重要概念——夸克和哈格多恩温度。15年之后，这两个概念发生了融合，产生了一种新的物质状态一一夸克胶子等离子体。根据人们现在对宇宙的认知，宇宙起源于距离今天大约120亿- 150亿年前的一次宇宙“大爆炸”。发生宇宙“大爆炸”之后的十分短暂的时间内，宇宙空间会形成一种超高能量密度环境，在这种环境中存在这样一种物质，现在将其称之为夸克胶子等离子体，在一个极其短暂的时间里，夸克胶子等离子体充满了整个宇宙。
人们借助大型离子对撞机使两组不同的粒子进行对撞，以此来研究物质被加热到太阳核心温度的25萬倍时的状态，该环境就如同宇宙诞生后的数毫秒内出现的“等离子汤”状态。这样人们就有可能研究宇宙诞生时所形成的夸克胶子等离子体，这一重大的突破可以令物理学的研究范围拓展到接近宇宙产生的初始状态。
通常情况下，由于夸克会受到一个非常强的束缚力，将其束缚在原子核内部，所以夸克是无法独立存在的。但在能量足够大或者温度足够高的情况下，人们预期质子和中子将会碎裂，使其中的夸克和胶子重新进行结合从而形成夸克胶子等离子体。它是不同于质子和中子的另外一种新的物质形态。重离子的碰撞产生一个温度极其高的环境，核物质的温度也随之急剧升高，这样就会形成一个“火球”，这时就有可能产生夸克胶子等离子体，随后“火球”随着碰撞结束，能量和温度逐渐降低，这时将会产生大量的粒子。很显然夸克胶子等离子体是无法直接观测到的，所以人们只能对其末态产生的大量粒子进行观测，以判断在碰撞过程中是否真的产生了夸克胶子等离子体。
粒子物理是一门有趣的物理学科，和天体物理的融合更加令这一学科充满了神秘感，感兴趣的可以对这一方向进行深入了解。
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