由質(zhì)子、中子構(gòu)成的原子核

1. π介子與核力

發(fā)現(xiàn)原子核以后，人們自然要問，原子核是不是由更小的粒子組成？1910年，盧瑟福用α粒子轟擊原子發(fā)現(xiàn)了原子核，4年后，他用α粒子轟擊氫原子，結(jié)果把電子給打掉了，于是人類發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)了中子。今天，人們通常認為原子核是以質(zhì)子和中子（統(tǒng)稱為核子）為基本單元組成的。核子間的相互作用強度比電磁相互作用強度大很多，所以稱為強相互作用。理論物理學(xué)家自然要探究質(zhì)子和中子是通過什么機制束縛在一起形成原子核的。為了解釋強相互作用，日本物理學(xué)家湯川秀樹在1935年提出了π介子交換機制，他認為核子間的相互作用是通過交換一個未知的粒子實現(xiàn)的，即π介子，并根據(jù)測不準原理，預(yù)言了π介子的質(zhì)量。π介子在20世紀50年代的實驗中被證實存在。

湯川秀樹提出的π介子交換機制第一次涉及核力的本質(zhì)，從那以后，核力的研究主要基于唯象模型。然而，單π介子交換只能描述核力的長程部分，對短程部分以及中程部分無能為力。在此基礎(chǔ)上，隨著質(zhì)量較大的ρ介子、ω介子等玻色子的發(fā)現(xiàn)，根據(jù)粒子交換的思想，人們進一步提出了著名的單玻色子交換模型，能夠初步描述核力以及氘核的性質(zhì)。但是，隨著強相互作用的基本理論——量子色動力學(xué)（Quantum Chromodynamics，QCD）的構(gòu)建，為了從第一性原理出發(fā)研究核力，溫伯格提出利用手征有效場論描述核力。目前，手征核力已實現(xiàn)對核子散射數(shù)據(jù)的高精度描述，并被廣泛應(yīng)用于核物理領(lǐng)域。一方面，由于QCD的兩大特性——漸近自由與色禁閉，手征有效場論將色單態(tài)的強子（核子以及π介子）作為相互作用的基本自由度。另一方面，高能區(qū)相互作用的細節(jié)被吸收到低能常數(shù)中。由于核子和π介子都不是點粒子，因此有必要考慮它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即從夸克層次對核力展開研究。手征夸克模型通過引入單膠子交換以描述短程相互作用，定性描述了核力的基本性質(zhì)。值得一提的是，格點QCD基于夸克-膠子自由度在離散時空中研究強相互作用，于2007年首次得到了核子-核子S波相互作用的基本形式[1]。

2. 質(zhì)子、中子是基本粒子嗎？

到目前為止，人們發(fā)現(xiàn)最穩(wěn)定的粒子是質(zhì)子，但是質(zhì)子和中子是否具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢？最早證實質(zhì)子和中子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實驗觀測量是反常磁矩。實驗測得質(zhì)子和中子的磁矩分別為2.79和?1.91個核磁子，而狄拉克方程中自旋為1/2的點粒子的磁矩為2個核磁子，數(shù)值上有很大的偏差。核子的反常磁矩說明核子不是點粒子，而是具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)合粒子。

人類探究物質(zhì)深層次結(jié)構(gòu)的主要方法是散射，例如，以電子作為探針探究質(zhì)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即著名的電子-質(zhì)子彈性散射實驗。電子-質(zhì)子彈性散射過程實際是電子經(jīng)過加速輻射出虛光子，虛光子與質(zhì)子發(fā)生相互作用的過程。可通過觀測末態(tài)電子或者強子的分布情況反推核子的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，如圖1所示。通過電子-質(zhì)子彈性散射實驗發(fā)現(xiàn)質(zhì)子是一個直徑約為1fm的粒子，即質(zhì)子不是點粒子。

圖1 電子-質(zhì)子彈性散射過程

進一步，通過電子-質(zhì)子深度非彈性散射實驗發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子是由點狀部分子組成的，部分子包括夸克和膠子。在部分子模型中，質(zhì)子所有的可相加量子數(shù)，如動量、質(zhì)量、自旋等，都應(yīng)該是這些部分子量子數(shù)之和。通過測量部分子動量，人們發(fā)現(xiàn)質(zhì)子內(nèi)夸克和反夸克攜帶的動量只占質(zhì)子動量的一半，因此，人們相信質(zhì)子內(nèi)部還存在膠子。20世紀80年代，歐洲核子研究中心EMC合作組發(fā)現(xiàn)夸克和反夸克的自旋對質(zhì)子自旋的貢獻之和幾乎為0，由此引發(fā)了核子的“質(zhì)子自旋危機”。經(jīng)過多年的努力，人們發(fā)現(xiàn)核子自旋來自夸克自旋、膠子自旋以及夸克、膠子的軌道角動量。實驗表明，夸克自旋約占核子自旋的25%。目前，質(zhì)子的自旋之謎仍在研究中，但可以肯定的是，質(zhì)子和中子不是基本粒子。