《夸克子、奇异星、及夸克物质quarks,quarkmatterandstrangestars》由会员分享，可在线阅读，更多相关《夸克子、奇异星、及夸克物质quarks,quarkmatterandstrangestars（40页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、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
2、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,Ref.: Serway, Moses, Moyer, Modern Physics (Saunders College Publishing, 1996),D.H. Perkins, Introduction to High Energy Physics (Addison-Wesley, 1982),強子(hadrons)= 帶強作用力粒子,http:/hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particl
3、es/hadron.html,高能粒子撞擊實驗中做出超過一百粒各種粒子，大部份於極短時間衰變 兩類: 重子(baryons)如p, n及介子(mesons)如, K,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,基本粒子,Murray Gell-Mann Nobel Prize in Physics 1969,for his c
4、ontributions and discoveries concerning the classification of elementary particles and their interactions,http:/www.nobel.se/physics/laureates/1969/,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
5、 (rgb)介子 ( mesons) = ud (bb) K0 介子 ( K0 mesons) = ds (r r ),重子 baryons,介子 mesons,強子 hadrons,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,以交換光子傳遞,光子不帶電荷,粒子亦不改變電荷,與電磁力相似但不同:,Quantum ChromoDynamics,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
6、自由夸克子禁閉,QCD 理論之最大懸案,彈簧模型 (spring/string model),兩夸克子之強作用力像彈簧,如:,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
7、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,http:/www.physics.brown.edu/Studies/Demo/modern/demo/7d5010.htm,Geiger, Marsden, Rutherford 1910-14,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
8、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,史丹福線性粒子加速器 Stanford Linear Accelerator SLAC,Photos Courtesy Stanford Linear Accelerator Cent
9、er. www.slac.stanford.edu/,Nobel Prize in Physics 1990,“for their pioneering investigations concerning deep inelastic scattering of electrons on protons and bound neutrons, which have been of essential importance for the development of the quark model in particle physics.”,Photo courtesy SLAC http:/
10、www2.slac.stanford.edu/vvc/nobel/1990nobel.html,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,Tc140 MeV,1012K!,Figures courtesy Brookhaven National Lab http:/www.bnl.gov/RHIC/,Relativistic Heavy Ion Collider,Br
11、ookhaven National Lab, NY,實驗於 2000年開始,重離子（至鈾）加速至 200GeV/n (v=0.99995c)對撞，於極短時間達至1012 K，重塑宇宙初開狀況。,1km,Figures courtesy Brookhaven National Lab http:/www.bnl.gov/RHIC/,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/,Photo downloaded from http:/www.bnl.gov/rhic/fascinating.htm,Au o
12、n Au,Downloaded from Brookhaven National Lab webpage http:/www.bnl.gov/rhic/fascinating.htm,A real event in one of the detectors,Downloaded from Brookhaven National Lab webpage http:/www.bnl.gov/rhic/full_en_images.htm,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T
13、 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 (1.5 Mo, R10-100 km),超新星爆炸,Animation courtesy Bryan Preston (STScI/AVL),SN1987A 超新星1987A,Photo courtesy Anglo-Australian Observatory,M1 蟹狀星雲Crab Nebula,Photo courtesy NOAO,蟹狀星雲 M1,M1 之脈沖,拍於中大,傳統理論: 致密星=急促自轉中子星neutron star,尋找奇異星 (strange stars),奇異星= u,
14、 d, s 夸克組成的星體 理論上高溫高密時比中子星穩定,若穩定，可以比中子星更細小 (R7 km)，而且冷卻極快。,4/2002: 3C58 及RXJ 1856.5-3754 可能是奇異星！,RXJ 1856.5-3754,Photos courtesy NASA/CXC/SAO downloaded from http:/chandra.harvard.edu/press/kits/strangematter/index.html,R11.3 km 太小!,http:/www1.msfc.nasa.gov/NEWSROOM/news/releases/2002/02-082.html,3C
15、58,Photo courtesy NASA/CXC/SAO,Chandra X-ray,SN1181 遺下之致密星 表面溫度 106 K,中大的相關研究,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) 夸克強子相變對宇宙膨脹之影響 (陳文豪、林江，MPhil),奇異星 在中大,研究,初步結論 超新星可以製造奇異星 奇異星急速冷卻變回中子星 相變釋放大量能量(潛熱)1053 ergs 兩次中微子爆發,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),夸克子、奇異星、及夸克物質,醒啦！,
