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然而标准模型没有列出许多可能的束缚态。它列出的是更基本的由夸克与胶子束缚成的强子态。除了处于质子与中子内的上夸克与下夸克,重的夸克称为粲夸克、奇异夸克、顶夸克以及底夸克。与带电和中性的轻子一样,重夸克与它们较轻的伙伴——上夸克和下夸克带有相同的电荷。重夸克在自然界中不易被发现。对撞机也需要研究它们。
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强子(通过强相互作用力耦合的粒子)与轻子(不参与强相互作用力的粒子)在粒子对撞机中看起来非常不同。这主要因为是夸克和胶子有强相互作用力,它们从来不会单独出现。它们总是在可能包含初始粒子的喷射流中,但同时还包含了参与强相互作用力的其他粒子。喷射流不是只包含单个粒子,而是包含对初始粒子形成一层“防护”的强耦合粒子流,可以从图14-2中看到。
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强相互作用力将在第一时间从引发喷射流的夸克与胶子之中产生许多新夸克与胶子,即使初始事件中并不包含它们。质子对撞产生大量喷射流,因为质子本身是由强相互作用力的粒子组成的。这些粒子会产生许多附加的强相互作用力的粒子流,这些粒子流会伴随它们一起运动。它们有时产生的夸克与胶子会沿着不同的方向飞离,并构成它们自己独立的喷射流。
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我在《弯曲的旅行》一书中所引用的电影《西区故事》(WestSide Story )中的《喷射机帮派之歌》(Jet Song )[57] 把强子喷射流描述得很好:
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图14-2 喷射流是环绕着夸克和胶子的强相互作用力粒子流。这张图片显示了它们在追踪器和强子量能器中的检测。(感谢CERN友情提供图片)
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你从不孤单,
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你从不会被疏远!
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即便你独自守候,
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只要呼唤陪伴,
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必有人到你身边誓死保护你!
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You’re never alone,
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You’re never disconnected!
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You’re home with your own:
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When company’s expected,
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You’re well protected!
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单独的夸克(以及许多“帮派”成员)不会被发现,不过在一群相关的强相互作用力粒子中会被发现。
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喷射流通常留下可见轨迹,因为喷射流中的一些粒子是带电的。当一个喷射流到达量能器,它将能量沉积下来。细致的实验研究、分析与计算机计算帮助实验物理学家在第一时间推导出产生喷射流的强子的性质。虽然如此,强相互作用力与喷射流使得夸克与胶子的测量非常巧妙。你不需要探测夸克与胶子本身,而是它们所处的喷射流。这使得绝大多数夸克和胶子流无法与其他流区分开。它们都沉积了很多能量并且留下许多轨迹(图14-3所示为探测器如何确认标准模型的关键粒子)。
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图14-3 一个关于如何将标准模型粒子从探测器中区分出来的概括。中性粒子在追踪器中没有记录。带电和中性强子可以在电磁量能器中沉积少量能量,但是会在强子量能器中沉积几乎全部的能量。μ子会穿透到外层探测器。
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测量完喷射流的性质,要分辨出不同的夸克或胶子引发的喷射流,虽然这样并非完全不可能,但也极具挑战性。与下夸克带有相同电荷的底夸克(以及较重的奇异夸克)是这一类中最重的夸克,它是该原则下的一个特例。底夸克之所以特殊的原因是,它比其他夸克衰变得慢。其他不稳定夸克在产生后立即衰变,所以它们的衰变产物似乎在质子对撞的相互作用点就开始它们的运行轨迹了。然而底夸克存在的时间足够长——大约1.5皮秒(picosecond,10-12秒),也即有足够的时间以光速来运行半毫米,它们会在相互作用点留下一条可以观测到的足够长的轨迹。内层硅探测器探测这个偏离顶点,如图14-4所示。
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图14-4 底夸克构成的强子存在的时间足够久,在衰变成其他带电粒子前,在探测器中会留下一条可见的轨迹。在硅顶点探测器中留下一个结(kink),可以被用于鉴定底夸克。这张图来源于顶夸克衰变图。
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当实验物理学家从底夸克重建轨迹时,它并不会延伸回事件中心的初始相互作用点。该轨迹反而看起来是从内部追踪器的底夸克衰变点出发的,在轨迹中留下一个结——一个连接进入的底夸克和衰变产物的结。A在硅探测器的精细划分之下,实验物理学家可以看到靠近粒子束的轨迹的细节,从而在相当一部分时间中确认底夸克。
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