怎么知道质子和中子是由夸克组成的?

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69 年以前,什么证据也没有找到。 这时,大多数人已经不抱希望,认为找不到夸克存在的证据,只能解释为所谓的夸克只不过是某种数学符号,物理方程中的一个数学量而已。 但在 20 世纪 30 年代的时候,人们就发现中子具有磁矩。 如果一个不可再分的基本粒子具有磁矩,那么这个粒子必须同时具有自旋和电荷。但是我们知道,中子虽然自旋 1/2,但它是不带电荷的,因此中子不可能为一个基本粒子,而是由更基本的粒子构成。 那么质子或者中子内部到底是不是夸克呢?要回答这个问题,最直接的想法就是去「看一下质子内部」。当然,这个「看一下」的过程并没有那么直接。 比较典型的实验方法有深度非弹性散射(DIS, deep Inelastic scattering),简单地说就是用高能电子轰击质子,把电子打入质子内部,通过对末态粒子的分析来反推质子内部结构。 图 11:电子-质子深度非弹性散射 上图中, K 是入射电子, K^, 是末态电子, p 为被轰击的质子, X 表示末态粒子集合. 电子与质子的相互作用通过交换一个中间粒子——光子 q 来产生 实验发现,质子内有无数点电荷,且基本上是自由运动的。电子-质子深度非弹性散射实验显示出核子的结构函数具有无标度现象。这是质子(或者说核子)具有结构的重要信息。这些实验激发了当时的理论学家对于核子结构的热烈讨论,其中 1969 年费曼提出了著名的「部分子模型」是最富有成效的。 图 12:费曼(Richard Philips Feynman,1918-1988) 「部分子模型」认为,一个接近光速运动的核子,可以看作是由一束高速运动的自由点粒子,即部分子所构成,电子与质子之间的高能反应是通过与这些部分子之间的相互作用而发生的。 强子内部分子的性质由部分子分布函数(parton distribution function,PDF) 来描述。PDF 直观地定义为强子内携带动量分数 x 的某类部分子的数密度. 深度非弹性实验有三个重要的发现,通过与理论模型的对比,可以得出关于质子的重要结论: 在当时实验的分别率下,构成质子的粒子表现为点粒子 构成质子的点粒子是自旋为 1/2 的费米子 构成质子的点粒子带分数电荷 综合这 3 个实验发现得到质子结构的清晰图像: 质子是由自旋为 1/2、带分数电荷的更微小的点粒子构成。 7、部分子模型与夸克模型的统一 电子-核子深度非弹性散射实验显示核子是由自旋为 1/2 的费米子组成的,而在夸克模型中所有强子包括核子在内都是由夸克构成的,那么实验上看到的