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夸克和漸近自由 Quarks and Asymptotic Freedom

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  1. 夸克和漸近自由Quarks and Asymptotic Freedom 朱明中教授 (Professor Ming-Chung Chu) 〔香港中文大學物理系教授〕 楊綱凱教授 (Professor Kenneth Young) 〔香港中文大學物理系講座教授、副校長及研究院院長〕 15/10/2004

  2. 2004 諾貝爾物理獎 • "for the discovery of asymptotic freedom in the theory of the strong interaction" • David Gross, David Politzer and Frank Wilczek discovered a property of the strong interaction which explains why quarks may behave almost as free particles only at high energies. The discovery laid the foundation for the theory for the colour interaction (a more complete name is Quantum ChromoDynamics, QCD).

  3. 夸克和漸近自由Quarks and Asymptotic Freedom • 夸克是甚麼? • ±1/3, ±2/3 單位電荷 • 不能單獨存在 • 夸克的相互作用 • 短距離: 漸近自由 • 長距離: 永久束縛

  4. I. 夸克是甚麼 • 夸克(quark)與強作用力(strong force) • 夸克何處尋? - 1.夸克物質(quark matter) - 2.奇異星(strange star) Ref.: C. Quigg, ‘Elementary Particles and Forces’, Scientific American April 1985, P. 64-75.

  5. 夸克與強作用力 • 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proton,中子neutron ,  介子meson,K介子, 粒子‧‧‧‧ 短程 (~10-15 m),強(重<<電磁 < 弱 <強) 偶合常數: 10-40 10-2 0.31 coupling constant Ref.: Serway, Moses, Moyer, ‘Modern Physics’ (Saunders College Publishing, 1996) D.H. Perkins, ‘Introduction to High Energy Physics’ (Addison-Wesley, 1982)

  6. 強子(hadron)= 帶強作用力粒子 高能粒子撞擊實驗中產生超過一百粒各種粒子,大部份於極短時間衰變 兩類: 重子(baryon) 如p, n及介子(meson) 如, K http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/hadron.html

  7. MeV – 100’s GeV 份數電荷 色荷color charge rg b 夸克與強作用力 • 所有強子由夸克組成 (M. Gell-Mann & G. Zweig, 1964) • 夸克有六種「味道」(flavors): u (上 up) d (下 down) c (粲 charm) s (奇異 strange) t (頂 top) b (底 bottom/beauty) • 夸克帶強荷、弱荷、電荷、質量 • 基本粒子:夸克直徑小於10-18 m

  8. 夸克不自由! • 但未有人觀察到自由夸克 • 色荷的束縛問題 • 夸克只能以「無色」(colorless)組合出現?

  9. 夸克模型 (Quark Model) • 強子=夸克之「無色」組合 (~原子=原子核+電子之中性電荷組合) • 兩種方式: (q q q) →重子 (baryon)(qq) →介子 (meson) • 例如: 質子(proton) = uud 中子(neutron) = udd 介子 ( meson)= udK0介子 ( K0 meson) = ds

  10. b g r 重子 baryon r 介子 meson r 強子 Hadron (1) 簡化圖像而已 …

  11. d d u u d d u u c s 五夸克子 Pentaquark m ~ 3.1 GeV 歐美科學家於2004年發現 http://physicsweb.org/articles/news/8/3/9 奇特重子 Exotic baryon 五夸克子 Pentaquark m ~ 1.5 GeV 日本科學家於2003年發現 http://www.aip.org/enews/physnews/2003/644.html http://news.bbc.co.uk/1/hi/sci/tech/3034754.stm

  12. g u d Quantum ChromoDynamics 膠子帶紅藍二色 u d e- p+ 以交換光子傳遞 與電磁力相似但不同: 光子不帶電荷 e- 粒子亦不改變電荷 p+ 強作用力 (Strong interaction) (1) • 夸克交換膠子(gluon) • 膠子帶兩種色,無質量 • 夸克每吸/放膠子可「變色」,如

  13. 強作用力 (Strong interaction) (2) • 夸克: • 轉換夸克色荷:

  14. qb qd qa qc 吸引力 排斥力 強作用力 (Strong interaction) (3) • 夸克–夸克相互作用: • 色荷因子: • 夸克之間作用力可正可負,視乎色荷組合。最吸引的是無色組合(color singlet) f = 3/4。

  15. g q g q 強子 (2) • 夸克,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及膠子,隨生隨滅 • 高能撞擊亦未能釋出自由夸克子→永久束縛

  16. 夸克 quarks u, c, t d, s, b 輕子 leptons 電子 中微子 neutrinos 介子 vector bosons 光子、膠子、重力子等 基本力之傳播 http://particleadventure.org/particleadventure/ http://www.phy.cuhk.edu.hk/gee/mctalks/mctalks.html 基本粒子 Elementary particles

  17. 自由夸克何處尋? 夸克物質 (Quark matter)

  18. T 夸克物質 Tc 核子物質 高能重離子撞擊 Ultra-relativistic heavy-ion collisions • QCD理論預測高溫或高密度時強荷變弱 • 至高溫或高密度時可「釋放」夸克: 相變(phase transition) • 如液態水→蒸氣 kTc ~ 140 MeV Tc~1012 K!

  19. 夸克物質 Quark Matter 夸克–膠子漿 重塑宇宙早期情況 Figures courtesy Brookhaven National Lab http://www.bnl.gov/RHIC/

  20. ~1km 相對性重離子撞擊器 Relativistic Heavy Ion Collider (1) 實驗於 2000年開始 重離子(至鈾)加速至 200 GeV/n (v = 0.99995c) 對撞,於極短時間達至1012 K,重塑宇宙初開狀況。 Brookhaven National Lab, NY Figures courtesy Brookhaven National Labhttp://www.bnl.gov/RHIC/

  21. 相對性重離子撞擊器 Relativistic Heavy Ion Collider (2) Photo downloaded from http://www.bnl.gov/rhic/fascinating.htm 粒子加速管道 其中之一個粒子探測器 STAR Photo downloaded from http://www.star.bnl.gov/

  22. 金核子撞擊 Au + Au Downloaded from Brookhaven National Lab webpage http://www.bnl.gov/rhic/fascinating.htm

  23. 重離子撞擊 撞擊後紀錄 Downloaded from Brookhaven National Lab webpage http://www.bnl.gov/rhic/full_en_images.htm

  24. 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 10-23 s • 夸克–膠子漿冷卻至T<Tc轉化成強子(, K, p, n,…) • 如何得知曾形成夸克–膠子漿? • 最新結果: http://www.bnl.gov/bnlweb/pubaf/pr/2003/bnlpr061103.htm

  25. 自由夸克何處尋? 2. 奇異星 (strange stars)

  26. 致密星 (Compact Stars) • 大質量恆星(M > 3Mo)死亡時必經超新星爆炸(supernova) • 恆星大部份物質拋出太空,剩下核心形成致密星 (~1.5Mo, R~10-100 km) 致密星 = 細小、高密度、不靠熱壓力維持平衡的星體 超新星爆炸 Animation courtesy Bryan Preston (STScI/AVL)

  27. Photo credit: NASA http://www.fourmilab.ch/earthview/vplanet.html 中子星 Neutron Stars ~50 km

  28. ? ? 中子星 夸克星 奇異星 (Strange Stars) 奇異星= u, d, s夸克組成的星體 理論上高溫或高密度時比中子星更穩定 若穩定,可以比中子星更細小 (R ~ 7 km) 致密星 = 奇異星? 4/2002: 3C58 及RXJ 1856.5-3754 可能是奇異星!

  29. 可見光 Chandra/NASA Credit: European Southern Observatory Very Large Telescope X-ray 半徑 ~ 11.3 km 太小! RXJ 1856.5-3754 Photos courtesy NASA/CXC/SAO downloaded from http://chandra.harvard.edu/press/kits/strangematter/index.html

  30. 太冷! 符合奇異星冷卻極快之特性 Photo courtesy NASA/CXC/SAO http://www1.msfc.nasa.gov/NEWSROOM/news/releases/2002/02-082.html 3C58 SN1181 遺下之致密星 表面溫度 < 106 K Chandra X-ray

  31. 近年在中大的相關研究 • 在高溫度時強作用物質之性質 • 強子的夸克結構 (Klaus Colanero, PhD) • 奇異星之相變 (黃嘉華 MPhil) • 如何分辨奇異星與中子星?(曹家怡 MPhil) • 夸克–強子相變對宇宙膨脹之影響 (陳文豪、林江,FYP)

  32. II. 夸克的相互作用 • 短距離: 漸近自由 • 長距離: 永久束縛

  33. 夸克的發現 • 基本粒子的分類 • 深度非彈散射 • deep inelastic scattering

  34. 盧瑟福散射 • 1911 • 高能  粒子 • ~ MeV • 探測原子的微細結構 • 10-10 m  10-13 m

  35. 3km 深度非彈散射 (1) • 1960s • 用更高能量電子 18 GeV • 探測質子/中子的更微細結構 Photos Courtesy Stanford Linear Accelerator Center.

  36. 深度非彈散射 (2) e p

  37. 深度非彈散射 (3) • 在 很大的情況下   與  無關 • 標量化 (scaling) • 沒有典型尺寸: 質點 Feynman : 部分子 (parton)

  38. 深度非彈散射 (4)

  39. 基本粒子的組成部分 • 部分子 (parton) • 沒有尺寸 • 沒有相互作用 (漸近自由)? partons quarks Richard Feynmann Murray Gell-Mann

  40. 什麼理論有漸近自由? • 很多人硏究不同場論 (field theory) • 適得其反 • Gross, Politzer, Wilczek 發現 • 只有楊米場論 (Yang-Mills) • 才有漸近自由

  41. Prof CN Yang with staff and students of the Physics Department, CUHK 楊振寧

  42. 吐紫含紅 強作用有一重要特性: • 在長距離 (紅外範圍) 夸克受束縛,深藏不露 ; • 在短距離 (紫外範圍) 則漸近自由,得以呈現。 • 唯楊米規範場才具備此特性,可謂達自然規律之真諦。

  43. 相互作用 力: 勢:

  44. 作用勢 引力 電力 強作用 高階修正

  45. 漸近自由 • 實驗說明

  46. 漸近自由 Running of the strong coupling constant: measurement at different scales compared to QCD predication fors=0.118±0.003. The last three points correspond to the new LEP 2 measurements.

  47. 如何理解 s 的改變 (1) • 重整羣 renormalization group • Gell-Mann & Low • Callan & Symanzik

  48. 如何理解 s的改變 (2) 關鍵: 則 則

  49. 吐紫含紅 只有楊米理論才呈現 t’Hooft (1971): 「這種計算技術上稍有微妙,但概念上並不困難。」

  50. 楊米場 Yang-Mills field EM YM