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來源：互聯網

強子（英語：hadron，古希臘語：?δρ??）是一種由夸克和膠子構成的粒子，膠子是一種傳遞強相互作用的基本粒子，正是由于核子間存在強相互作用力，質子、中子才能結合為原子核。在粒子物理的標準模型中，夸克是一種基本粒子。

強子可以被分為介子和重子，分別是由奇數個夸克（通常是三個夸克）組成的重子和由偶數個夸克（通常是兩個夸克：一個夸克和一個反夸克）組成的介子。近年來發現了含有超過三價夸克的“奇異”強子，四夸克態（一種外來介子）于2014年由LHCb合作組織確認為共振，而兩種五夸克態（奇異重子），名為 P+c(4380) 和 P+c(4450) ，由LHCb合作于2015年發現。膠子是傳遞強相互作用的基本粒子。“膠”（Glue）描述了強相互作用將夸克緊密地“粘”在一起，從而構成重子或介子。隨著強子結構的研究，人類認識到質子和中子并不是最基本的粒子，而具有更微觀的結構。其中質子是一種強子，質子和自由質子有可能衰變成其他粒子。但實際上質子和自由質子是一種穩定的粒子，尚未被觀察到自發分解為其他粒子，即便質子會衰變，則它的壽命應該大于2×1034年。

1964年，蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和喬治·茨威格（George Zweig）分別獨立提出強子八重態模型，并認為所有強子都是由夸克構成的。同年，默里·蓋爾曼提出了夸克模型，認為每個重子由3個夸克（或反夸克）組成，每個介子都由兩個夸克（或反夸克）構成。但是，實驗中從未觀察到單獨的夸克，這點可由“夸克禁閉”（quark confinement）的理論來解釋。1968年，美國斯坦福大學的國家加速器實驗室SLAC用深度非彈性散射實驗，證明了質子存在內部結構，也間接證明了夸克的存在。之后，又有更多的實驗數據驗證了強子的夸克模型。2022年，歐洲核子研究中心宣布，該機構的大型強子對撞機（LHC）上的底夸克探測器（LHCb）合作組發現了新的奇特粒子結構，包括一種首次發現的五夸克態粒子和有史以來觀察到的第一對四夸克態粒子。

詞源

1962年，強子由俄羅斯理論物理學家列夫·奧肯（Lev Okun）提出，表示具有強相互作用的粒子，他曾經說道“在這份報告中，我將把強相互作用粒子稱為‘強子’，而希臘語“hadros‘’表示‘大’、‘質量’，與“leptos”的意思是“小”“輕”。我希望這個術語會很方便的讓人們理解其中意思。”

研究歷史

相互作用力的發展

1687年，艾薩克·牛頓（Isaac Newton）在其《自然哲學的數學原理》一書中提出了萬有引力定律，這個理論將地上的重量和天上星體間的作用力統一在了一起。從那時候開始，物理學家企圖將萬事萬物統一在一個物理理論的框架中。以還原論的觀點，萬事萬物最后都可以歸納為若干“基本粒子”以及這些粒子之間的“相互作用”。

20世紀，對原子核結構與中子衰變這兩個問題的研究使人類認識到強相互作用和弱相互作用的存在。1934年，湯川秀樹和恩里科·費米（Fermi）分別提出了介子交換理論和四費米子相互作用理論來解釋核子之間的作用力及中子的衰變。這兩種理論經過后續的發展與完善，最終在20世紀六七十年代發展成為量子色動力學（QCD）與電弱統一理論，構成了標準模型的基石。

20世紀20年代，尤金·維格納（Eugene P. Wigner）將對稱性引入剛建立的量子力學，得到了一系列重要的結果。到了30年代，維格納發現核子之間的相互作用在相距很遠時非常弱，而靠近時又會急劇變強。他還注意到核子滿足的對稱性并不區分質子和中子，進而將核子束縛在一起的強相互作用對質子和中子是一樣的。尤金·維格納因對原子核及基本粒子理論的貢獻，尤其是基本對稱性原理的發現和應用，而獲得1963年諾貝爾物理學獎。

1936年，繆子（μ）被發現，其質量最高可到150MeV，非常接近湯川秀樹的預言，所以一開始人們認為這就是π介子。但后續的實驗發現繆子并不參與核反應。1939—1942年，兩位印度科學家薩特延德拉·玻色（Debendra Mohan Bose）和喬杜里（Bibha Chowdhuri）利用攝影感光片在印度的高海拔地區研究了宇宙射線。他們在宇宙射線中觀測到了質量約為200倍電子質量的粒子。

1947年，塞西爾·鮑威爾（Cecil Powell）等人改進了這種方法，獨立地在宇宙射線中觀測到了這種介子。他們還發現這種介子參與了核子的相互作用，進一步支持它就是湯川秀樹預言的π介子。塞西爾·鮑威爾也因對研究核反應過程的天然橡膠攝影方法的發展以及使用這種方法發現了π介子而獲得1950年諾貝爾物理學獎。

強子相關理論的提出與發展

1952年，唐納德·格拉澤（Donald Arthur Glaser）發明的氣泡室能夠研究具有更高能量的粒子，并因發明氣泡室而獲得1960年諾貝爾物理學獎。威爾遜發明的云霧室可以觀察到帶電粒子的蹤跡。當帶電粒子向前穿過充滿接近沸點的液體室時，它們所經過的原子會被電離。當室內的壓力降低時，這些被電離的原子周圍會出現氣泡，然后我們可以對粒子的軌跡進行拍照和分析。氣泡室的發明使人們探測到了更多的粒子，對強子譜的研究起到了重要貢獻。

1955年，日本的坂田昌一等人是最早探討強子結構的科學家，他們在提出了著名的強子結構的坂田模型（也稱復合模型），認為強子都是由三種基礎粒子（質子 p中子n和超子A）及其反粒子構成的，將 pn和A三種粒子稱為基礎粒子（田粒子），而將強子稱為復合粒子。

20世紀50年代后半期，繼格拉澤的氣泡室之后，沃爾特·阿爾瓦雷茨（Luis Walter Alvarez）通過使用液態氫進一步發展了氣泡室。因其對基本粒子物理學的決定性貢獻，特別是開發了使用氫氣泡室的技術和數據分析，發現了大量的共振態而獲得1968年諾貝爾物理學獎。他還開發了新的測量系統和基于計算機的方法來分析大量的數據，這使他發現了一大批以前未知的粒子。

20世紀五六十年代，隨著氣泡室、氫氣泡室、粒子加速器的應用，人類發現了大量的“基本”粒子。1963年，粒子數據表已經收錄了近百個“基本”粒子，其中還包括很多不穩定的共振態。在默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）提出夸克模型之前，人們就試圖理解這些“基本”粒子的內部結構進而對它們進行分類，包括1956年的坂田（Sakata）模型和1961年蓋爾曼與Yuval Ne’eman提出的八重法（eightfold way）。默里·蓋爾曼因其在基本粒子的分類（夸克模型）及其相互作用方面的貢獻而獲得1969年諾貝爾物理學獎。

默里·蓋爾曼和尼曼于1962年分別提出了強子八重態模型。在坂田模型及強子八重態理論啟發下，默里·蓋爾曼于1964年提出了強子是由夸克構成的理論，即夸克（quark）模型。同年，在前人研究基礎上蓋爾曼和喬治·茨威格（GeorgeZweig）獨立地引入了夸克，這種更基本的粒子來描述實驗中發現的強子。夸克承載了SU（3）群的基礎表示（3），共三種味道，分別為上（u），下（d），奇異（s）夸克，其反粒子（）承載SU（3）群基礎表示的復共軛表示（）。在夸克模型中，介子由一對正反夸克（）構成而重子由三個夸克（）構成。西方人將這些粒子稱為“夸克”，中國人則常常又稱它們為“層子”。顧名思義，層子是相對電子、質子、中子這些基本粒子來說的，它屬于“下一層次的粒子”。

1977年，人們在進行高能質子束轟擊原子核的實驗中，發現一種叫的粒子，其質量很大，約為9460MeV，壽命較長。要解釋該粒子的特征必須引人新的夸克，叫底夸克b以及它的反夸克。據信粒子由（）組成。同理，用量子數描寫b夸克的性質。

1984年，歐洲核子中心宣布發現了由新的第六味（類）夸克t構成的物質。第六味夸克叫頂夸克t。t夸克的性質由量子數描寫。這樣考慮了量子數和后的西島蓋爾曼關系為。

分類

強子可以被分為介子推和重子，強子可以被分為介子和重子，分別是由奇數個夸克（通常是三個夸克）組成的重子和由偶數個夸克（通常是兩個夸克：一個夸克和一個反夸克）組成的介子。重子的自旋總是半數的，也就是說，它們是費米子。它們包括人們比較熟悉的組成原子核的質子和中子和一般鮮為人知的超子（Hyperon，比如Δ、Λ、Σ、Ξ和Ω），這些超子一般比核子重，而且壽命非常短。

介子

介子由一個夸克和一個反夸克通過強相互作用結合在一起的次原子粒子，屬于強子介子的直徑大約為1飛米，相當于質子或中子尺寸的2/3。所有的介子都是不穩定的，平均壽命最長的也僅有幾十納秒。帶電介子可以衰變（有時是通過中間粒子）形成電子以及中微子，不帶電荷的介子衰變可能會放出光子。介子推不是由放射性衰變產生的，但是能夠由夸克組成的高能粒子之間的相互碰撞得到，以短壽命產物的形式存在于自然界中。介子也可以通過高能粒子加速器中的質子、反質子或其其他粒子的碰撞產生。在自然界中，較輕的介子的重要性在于它們是與傳遞核力的量子場粒子相關聯的，這和光子傳遞電磁力的方式是相同的。能量較高、質量較大的介子是在宇宙大爆炸時瞬間產生的，心旦一般不認為它們在自然界中發揮某些作用。可以通過粒子加速器制造高能介子，以了解組成較重介子的較重夸克的性質。一些實驗證據表明，有奇異介子的存在。已發現的介子推種類有很多種，例如，π介子、p介子、Ф介子、η介子、w介子、K介子、D介子、B介子、Y介子等。部分種類介子的性質見次原子粒子。

重子

重子是一種重子數為1，參與強相互作用，自旋為半整數的強子其反粒子稱為反重子，重子數為-1。因為重子及其反粒子的自旋均為半整數，所以它們兩個全同粒子波函數在交換時反對稱（改變符號），遵循費米-狄拉克統計。最為常見和人們最早發現的重子是質子和中子。它們是原子核的基本組成分，t也是宇宙中重子類物質的絕大多數組成。由于重子中的質子、中子和超子生質的相似性（對稱性），M.默里·蓋爾曼在20世紀60年代很好地對當時已發現的重子進行分類，所預言的新重子得到實驗的證實，不在此基礎上提出了由夸克組成所有強子（重子和介子推的統稱）的夸克模型。在該模型的框架下，重子一般由三個夸克組成;除了3三個夸克組成的常見重子外，還允許存在由五個或者更多個夸克或反夸克組成的奇異重子。歐洲核子中心的LHCb實驗組在LHC對時撞機上觀測到了五夸克態重子的產生，是對夸克模型的最新的實驗支持。夸克模型已經成為粒子物理標準模型的重要組成內容。

性質

基本性質

價夸克決定了強子的性質，正像價電子決定了原子的性質一樣。各種強子的不同反映在它們的價夸克(或價反夸克)的不同上。每個強子內部的所有價夸克(或價反夸克)的色性質，保證其整體對外是無色的。

強子是由夸克和膠子組成的復合粒子。根據所帶電荷、弱相互作用性質和在相互作用中顯現的質量，可以將夸克分成6味，即上夸克(u)、下夸克(d)、粲夸克(c)、奇異夸克(s)、底(美)夸克(b)和頂(真)夸克(t)。從最低的近似來看，介子是由一個夸克和一個反夸克組成，重子是由三個夸克組成。這種組成強子的夸克，稱為價夸克。這些價夸克和價反夸克通過不斷交換膠子而相互作用。所以，在強子內部，除了上述夸克和反夸克外，還存在數目未知然而是確定的膠子。

迄今為止實驗上還沒有直接觀察到自由狀態的夸克和膠子，這是由于色相互作用具有“禁閉”的性質，也就是說，帶色粒子之間的色相互作用并不隨距離增大而減弱，從而使粒子最終互相獨立而處于自由狀態。所以，只有由夸克和膠子組成的無色系統才能獨立存在，帶色的夸克和膠子只能存在這個系統的內部。但在高能物理過程中，被禁閉在強子內部的夸克和膠子又似乎是自由的，無相互作用的，色相互作用的這種性質稱為“漸近自由”。

質量、自旋、同位旋和宇稱相關

雖然不能準確計算出強子的質量，但科研人員可通過模型對實驗上發現的強子進行分類和解釋。強子分為自旋整數的介子（π介子、K介子等）和自旋半整數的重子（質子、中子等）。在傳統的夸克模型中，介子由一對正反夸克構成，重子由三個夸克構成。需要指出的是，雖然在夸克模型提出之初，實驗上發現的大量強子態可較好地歸為這兩類，但QCD并不禁戒其他的構型（如多夸克態、夸克膠子混雜態、完全由膠子構成的膠球等）。超出傳統夸克模型的強子態被稱為奇特（exotic）強子態。

以重子為例，質子p和中子n是核子的同位旋二重態；、是介子推的同位旋三重態。它們的質量差是由于荷電狀態不同（即電磁作用）而引起的，若不考慮荷電狀態，則是同一種粒子。在這種思想的啟發下，默里·蓋爾曼和尼曼于1962年分別提出了強子八重態模型，認為最輕的八個介子（、、和）是同一個粒子O-八重態（指粒子的名稱，右上標是宇稱），原因是它們的自旋都是零，都具有奇性的內稟宇稱。而最輕的八個重子（、n、p、和），因其自旋都是，宇稱都為偶，而被稱為同一粒子的八重態。實際上，O-粒子是處在同位旋多重態，而粒子是處在奇異數多重態。

若以（同位旋分量）為橫軸，以超荷Y=B+S為縱軸將兩組各八個粒子的和Y分別標在圖上，可以看到它們各自組成一個對稱的六邊形，每個頂點上有一個粒子，中心處有兩個粒子，圖中同一水平線上的粒子，其超荷Y相同;同一豎線上的粒子，其同位旋分量相同；同一斜線上的粒子，其電荷數Q相同。

味量子數

如同所有次原子粒子，每個強子都被分派一個量子數對應于龐加萊群的表示：JPC(m)；其中，J是自旋量子數，P是內秉宇稱，C是正反共軛（電荷共軛），m是粒子質量。注意到強子的大部分質量不是由價夸克所貢獻，而是因為質能等價，大部分質量是從強相對作用的能量所貢獻的。強子也帶有味量子數，例如，同位旋、奇異數、頂數、底數、數等等。

其他性質

強子的激發態稱為“共振”；每一個基態強子都可能對應于幾個激發態。在粒子物理實驗里，可能會觀察到幾百個共振，通過強相對作用，它們很快地會衰變，大約在10?24秒內。

人們做了大量研究后，找到了其他戒子共振態和重子共振態的多重態的關系。1-介子推的八重態（、、、、、、）共九個粒子，中心有三個粒子（、、）。該八重態是O-八重態的激發態（激發到自旋J=1的態）即一個八重態加一個單重態。而重子具有十重態結構。在Y-圖上呈現一個倒三角形。圖中的粒子，在當時并未發現，是預言的。該預言在1964年被美國布魯海汶實驗室的科學家們用實驗證實，測得的粒子的質量為1675MeV。

結構

強子結構最早由日本科學家坂田昌一等人提出，認為強子都是由三種基礎粒子（質子p、中子n和超子）及其反粒子構成，將p、n和三種粒子稱為基礎粒子（坂田粒子），而將強子稱為復合粒子。為了體現復合粒子與構成它們的基礎粒子的電荷、重子數、奇異數及其守恒，坂田模型中，介子推由一個基礎粒子和反粒子構成；重子由兩個基礎粒子和一個反粒子組成。

相比于原子結構和原子核結構，研究強子結構的最大困難是造成組分數可變的非淬火效應：強子中夸克的動能和勢能比一對正反夸克的質量還大，膠子可變成正反夸克對，使得強子中的組分夸克數不確定。即使在唯一穩定的強子——最輕的重子（質子）中，實驗觀測已確立除了3個價夸克uud外，還存在膠子場中產生的。除了傳統夸克模型中的介子和重子之外，QCD還允許其他的強子構型存在，比如四夸克態、五夸克態、混雜態、膠球等，這些被稱為奇特強子態（exotic states）。

目前探索強子內部夸克—膠子結構的實驗主要有兩個基本途徑：一是通過高能電磁探針與核子的深度非彈散射測量核子的夸克—膠子結構函數，二是通過高能碰撞產生強子基態和激發態，研究強子譜。

按默里·蓋爾曼理論，重子由三個夸克構成，介子由一個夸克和一個反夸克構成。以質子p的構成為例，粒子構成前后各種物理量要保持守恒。質子p由三個夸克uud構成，即p=（uud）。下面的類比可看出構成的合理性：

由表可見，質子由三個夸克（uud）構成是合理的。同理也可獲得其他重子和介子推的構成。

應用

強子的相關應用主要體現在理論物理和發現新粒子上。高能核對撞中的強子-強子關聯的研究成為研究強子相互作用的一個重要技術。高能核對撞可以產生大量的粒子，由于強子對的相互作用和量子統計，對撞中產生的大量強子在低相對動量下產生關聯。由于核子-核子的相互作用研究得比較清楚，物理學家通常利用它們作為輸入從重離子對撞強子對關聯的測量中研究產生強子的源的性質。從另一方面來看，如果已知強子產生源的信息，那么強子關聯也可以用來研究強子之間的相互作用。

中國科學院理論物理研究所博士后神谷有輝(Yuki Kamiya)及其合作者從強子關聯函數出發研究相互作用取得了重要成果，首次提出了包含耦合道效應、庫倫效應以及同位旋破壞效應的分析方案。這項工作提出的理論方案可廣泛應用于高能核對撞中其他強子-強子對關聯的研究。

參考資料 >

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理論物理所等在全粲四夸克態研究中獲進展.中國科學院.2023-12-08

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