本文将讨论组成原子核的最主要粒子——质子与中子,它们的质量究竟是从哪里来的。
重子的质量之谜初中生基本都学过,构成物质的最小单位是原子,原子是由原子核与核外电子组成,原子核里通常都有质子和中子(氢的核素氕除外,它的原子核就是一个质子)。等到进一步学习物理,就会了解到,质子和中子被称为重子,它们还可以再分,重子通常由三个夸克结合而成,夸克才是基本粒子。
质子与中子都由夸克构成,连接夸克的是无质量胶子
问题随之出现:我们知道质子的质量为938.272MeV/c²(约1.6726×10⁻²⁷kg)、中子的质量为939.565MeV/c²(约1.6749×10⁻²⁷kg),但组成它们的夸克质量却与之相差甚远。质子由两个上夸克与一个下夸克组成,这三个价夸克的静止质量之和约为9.4MeV/ c²;中子由一个上夸克与两个下夸克组成,其价夸克静止质量之和也只有11.9MeV/c²,这意味着组成重子的夸克质量仅约占重子质量的1%!
夸克与质子的质量对比
根据量子力学理论,夸克是不能互相吸引的,它们必须靠一种叫做胶子的粒子提供强力将其粘合在一起,胶子是规范玻色子,它的质量为0,也就是说胶子本身的质量对重子的质量并没有贡献。
质子和中子99%的质量从哪里来?
胶子是规范玻色子,其质量为0
胶子的能量虽然胶子无质量,但它们仍然具有能量——颜色动力学结合能(QCBE)。它们类似于光子,光子也是带有能量的无质量粒子——光子能量。
QCBE是一种强核力,这也是宇宙中最强大的力量,它比已知的电磁力、弱相互作用力和万有引力都要强大得多,因此QCBE又被称为强力。在1飞米(10⁻¹⁵米)的范围内,强力大约是电磁力的137倍,是弱相互作用力的百万倍,是万有引力的10³⁸倍。因此它足以克服夸克之间相互排斥的力量,将其粘合在一起。量子力学理论认为,普通质子或中子的大部分质量是强力场能量作用的结果。