基本引力微子和它的物理“暗世界” 

第十七章

“胶子”与FG理论中的“粒子基体B”

FG理论从一些确切的实验事实,以及定量定性的计算中证明,所谓强相互作用源于宇宙引力暗物质的宏观压强效应。一种质能为3.6x10^-42G的引力微子(本文称作为FG)不仅是组成宇宙暗物质的主要物质,而且亦是组成所有基本粒子的基础物质。这个理论似乎得到了目前高能粒子物理最新成果的充分支持。

    FG理论基于“基本粒子”作为宇宙FG引力子强压下的“雾滴”的研究,稳定的粒子,必需处于对于FG的吸收和幅射的动态平衡,数理模型直接给出唯一"粒子基体"(简称B体)和它的三个稳定态(与质子、电子、中子相对应)。只有质量极其緻密的核子壳体,才不致于为仅有引力特性的FG轻易穿透,正是由于撞击壳体的FG在表面产生了反射,核子壳体才承受到了这种强大的压强效应。作个不太恰当的比喻,二面边缘贴合很好的铜钵在大气压强的作用下可以承受很大的力不致拉开,但二片纱布却不行。
FG理论下,基本粒子问题中的强力只是一种极短程力,它只是在接近核子尺度及核子具有的质能密度时方才体显出宇宙暗物质的宏观压强效应;如果把它作为一个假定,设想这个FG理论下的宇宙暗物质的宏观压强效应,即强力,是粒子自身具有的属性力,数学模型在主要的方面,两者具有相同或相近的计算结果。从这个意义上来说丁肇中教授领导的实验小组和在佩特拉(PETRA)加速器上工作的其它三个小组独立发现了三喷注现象,他们的工作对于证明FG学说主要理论框架的正确性具有极其重大的意义,FG理论可以用以往粒子物理的所有成果及所有的数学模型来描述和处理粒子碰撞过程中的物理现象。仅需将FG理论强相互作用机理取数学等效,在数学上等效于粒子自身具有短程强相互作用。在FG理论下,模型中给出的“粒子基体B”就是目前可能已经为实验观测到的所谓“胶子”,参阅附件一和附件二。
    FG理论关于强力源于宇宙暗物质宏观压强效应的理论,在机理方面是自洽合理的,它给人以清淅的理解和认识。同时也解释了为什么“胶子”、和数量众多的“夸克”不易为实验发现;为什么那些为数很少的几种层子,能拼凑成三百多种五花八门的强子(参与强相互作用的粒子的总称)。尽管有种种证据说明层子在强子里十分活泼,却从来没有单独观察到它,即使要从一个强子中硬拉出一个自由层子,也是做不到的。这是因为,宇宙FG引力子强压下的“雾滴”仅有三个稳定态,一旦被外力撞击出的“粒子”只能是短命粒子。所以,FG理论下我们可以自然地解释,为什么在高能撞击下的众多的新粒子,即使处在真空中,寿命短促,稍瞬即逝:因为这真空环境仍是处于暗物质FG强大的压强之下。FG的质量密度虽然极小,但数量密度极大,在直径仅1埃的壳面平均受到的FG的撞击达10^8-14 次数量级 。。。。。。
    因此,目前对于FG理论来说并没有必要重新去建立一个研究基本粒子内部结构的数理模式。所有这方面的现有理论和数理模型是最简、最佳的,是完全合理而实用的。

附件一:
基本粒子稳定态的数理模型─ 稳态粒子基体(B体)的基本慨念

8.1 粒子基体稳定存在的条件

    尽管我们已经介绍了产生强相互作用的本因,但更重要的问题是需要了解形成稳定粒子的条件。显然,这样的粒子只有在高压,高密度的情况下才能够产生。
这里,显然还存在着这样一个问题,宇宙光物质FG的压强效应如此强大,如果没有其它作用存在的情况下,粒子必然会不断地吸收光物质FG而无限增大。所以,我们必须进一步研究以下的具体情况:
假定一定量的FG在强力的作用下密集于某一微观区域B,振动必然是这些FG的基本运动状态。振动的振幅和B的尺度相当。值得我们特别注意的是,尽管宇宙暗物质以太的压强非常强大,但B仍然会有一定量的FG波粒能向外幅射。幅射强度与振幅(B的尺度)的平方成正比。这种幅射的结果导致B能量的减小,体积缩小。
    我们还必须考虑的问题是存在于宇宙空间中光物质的波粒幅射。研究谱线物理学中的空间谱线强度分布曲线,我们可以看到各种频率的强度分布是非线性的。那些处于宇宙幅射高频区域的波,其波长值小于或相当于B的尺度。根据波动理论,它们会进入B的内部,部分为B所吸收。其物理学效果是B受到的压强作用减弱,B的内能增大,体积增大。与之同时,B向外的FG幅射也相应地增大。
那些幅射,对应于宇宙幅射低频区域的波长值大于B的尺度,它们将在B的表面反射,对B产生实质上的压强效应。

    鉴于上述情况,我们讨论下面的规范机理问题。当B从外部空间吸收的宇宙幅射量值等于自身的对外幅射量,则处于所谓的动态平衡。或所谓的稳定态。我们则称之为“粒子基体”或“B体”。这是说,客观上应该存在着一些自控稳定态的实物粒子。从另一意义上分析,上述机理揭示了一个非常重要的事实,即,这种稳定态B体的质量和尺度大小是唯一的(参阅本书第七章给出该结论的深入数理分析)。

附件二:作者习翔宇
  人们都记得,一九七九年八月底,从西德汉堡曾经传来一个令人振奋的消息:丁肇中教授领导的实验小组和在佩特拉(PETRA)加速器上工作的其它三个小组独立发现了三喷注现象。这就象猎人在茫茫的雪原里发现珍禽异兽的脚印,科学家们在无比奥妙的微观世界里,首次追踪到胶子的径迹。它象一只报春的燕子,向人们预示着胶子之谜即将为现代科学技术的强大威力所揭开,标志着人类对物质微观结构的认识已进人强子世界。
  胶子究竟是什么东西呢?科学家们是怎样追踪到胶子径迹的呢?揭开胶子之谜对于人类探索强子世界的奥秘有什么重大意义呢?大家知道,物质由分子构成,分子由原子构成,原子由电子和原于核构成,而原子核则由中子、质子等构成。本世纪六十年代以前,人们把中子、质子这样的粒子看成是“基本”粒子。
  六十年代以后,许多高能物理实验(如高能电子对质子散射的实验),又揭示出中子、质子这样的粒子并不基本,它们也是有结构的,是由称为层子(国外叫夸克)的粒子组成的。七十年代粒子物理学的重大进展之一,是发现为数很少的几种层子,能拼凑成三百多种五花八门的强子(参与强相互作用的粒子的总称)。可是使人们疑惑不解的是;尽管有种种证据说明层子在强子里十分活泼,却从来没有单独观察到它,即使要从一个强子中硬拉出一个自由层子,也是做不到的,因为它们莫名其妙地变成了其它强子。
  大自然究竟靠什么本领把层子幽禁在强子里面呢?为了揭开这个谜,科学家们曾经预言,在强子里面还存在一种新的粒子,它们象“胶水”一样,以很强的力量,把层子和层子“胶粘”在一块。科学家们把这种新粒子称为“胶子”。尽管科学家们对胶子的性质进行了大量探讨,但有关胶子的存在,几年来却一直没有进一步消息。怎样才能进一步证实胶子的存在呢?早在三年前,美国费米实验室的莱德曼教授等人,发现了一种类似丁肇中过去发现的J/ψ(音“普赛”)粒子的新粒子——Υ(音“宇普西伦”)粒子,为进一步证实胶子的存在提供了新的可能。因为Υ粒子应该通过三个胶于衰变为其它强子,只要Υ粒子的能量足够大,一定可以观察到这些强子是由三个胶子喷射出来的现象。但是这类实验一定要在质心系总能量大于一百多亿电子伏的正负电子对撞机上进行,汉堡的佩特拉加速器恰好具备这个条件。所以,物理学家们对这次试验抱有极大的兴趣。丁肇中教授等正是在这次试验中,通过对“三喷注”现象进行分析而首次追踪到胶子径迹的。所谓“喷注”,指的是这样一种物理现象:高能粒子,例如高能正、负电子相撞,有可能产生许多强子,这些强子飞出去是遵循一定规律的,即都是集中在某些方向,形成圆锥形“注”状喷射,因而称为“喷注”。对喷注现象进行研究,可以了解强子的内部结构。在正、负电子总能量小于170亿电子伏时,科学家们观察到了双喷注现象,即正、负电子对撞后,产生出两个由许多强子(大部分是π介子)组成的锥体,也就是产生了两个喷注。由于动量守恒的要求,它们的中心轴成一直线。目前认为,这两个喷注分别由层子、反层子形成, 即正、负电子对碰撞后,产生正、反层子对。然后,分别衰变成强子群。这些强子基本上沿着层子或反层子的方向,形成锥形分布。随着能量提高,当正、负电子的总能量超过274亿电子伏时,丁肇中实验小组发现了三喷注事例,即观察到形成三个强子锥的现象。这是一个新现象。如何解释呢?
  比较合理的理论是:三喷注中的两个喷注仍然是正、反层子衰变而成,而第三个喷注如果认为还是由层子(或反层子)衰变而成,那就会和重子数守恒规律相矛盾,因为迄今为止,还没有一个实验是违反重子数守恒规律的;如果用目前人们已经认识的其它粒子来解释,也会产生许多矛盾。因此,第三个喷注很自然被认为是由新粒子辐射引起的。
  那么,这个新粒子又是什么呢?人们回忆起十年前预言过的胶子。按胶子的特性和行为,可以很好地解释第三个喷注的出现。图1是理论上的示意图,表示在电子对撞机上,正负电子湮灭为一个光子,光子转换为高能量的层子对,其中一个可以放射出一个胶子,最后正、反层子和胶子再分别发射普通粒子而形成三簇粒子束。图2表示实验上应出现的三簇粒子,即三喷注,三喷注中必有一个是胶子喷注。丁肇中实验小组在正、负电子总能量274—316亿电子伏范围内,找到了
446个喷注的事例(四个实验小组中最多的一个),并对测量数据进行精 细的分析,还标绘出强子能源分布图,直观地绘出了三喷注的图象。从中人们可以明显地分辨出哪两个喷注是由层子、反层子引起,哪一个喷注是由胶子引起。
  这次重大发现,使人们首次观察到十年来一直在寻找的胶子的踪迹。对于这次找到“胶子”存在的实验证据,国外记者报导说;“人们欣喜若狂”,也许不算形容过分。到目前为止,人类认识到自然界中有四种基本的相互作用:引力相互作用发现和认识最早,它是决定宏观物体(如太阳和地球)之间运动的主要作用力,在天体世界中显得十分巨大。可是在粒子世界中,由于粒子的质量很小,所以与质量成正比的引力就小得可怜,在高能物理研究的微观范围内,可以忽略不计。电磁相互作用是十八世纪以来人类认识得最好、应用得最广泛的。弱相互作用是只有当粒子间的距离很小时才发生作用的短程力,而且作用得很慢、时间很长,因而作用力很弱。强相互作用力也是短程力,但作用得很快、时间很短,因而作用力很强。原子核里把质子、中子吸引在一起的力就是强相互作用力。只有重子、介子才有强相互作用,所以经常把重子和介子称为强子。由于强子是由层子组成的,所以强相互作用应归结为层子之间的相互作用。
  目前理论上认为,电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用都是通过某一种物质作为中间媒介传递的:电磁相互作用通过光子传递;弱相互作用通过中间波色子传递;强相互作用通过胶子传递。光子早已找到,中间波色子的存在也不大使人怀疑了(虽然实验上还没能最后证明),而现在找到了胶子存在的证据,这就从实验上证实了这三种相互作用力确实都是以另一种物质作为媒介来相互传递的。由于找到了胶子存在的实验证据,不仅必然会把人们对强相互作用的认识大大推进一步,而且给这三种相互作用力的大统一带来了希望。所以,人们追踪到胶子的径迹,以至最终揭开胶子之谜,对于探索强子的内部结构,加深人类对物质微观世界的认识,具有十分重大的意义。三喷注的发现,使人们首次追踪到了胶子的径迹,这仅仅是一个良好的开端。为了进一步了解胶子的特性,探索强子世界的奥秘,还需要做许多深入、细致的实验工作和研究工作。丁肇中小组的实验表明,由于“胶子”把层子“胶粘”在一起的力量很大,随着加速器能量的提高,就能发现更多“胶子”存在的事例,从而使实验事实愈加明显、精确。不久以后,佩特拉加速器的能量又要提高,正、负电子总能量将达到三百八十亿电子伏。我们期待着不远的将来佩特拉会传来更加振奋人心的消息,鼓舞着人们去攻克“胶子”之城堡。如果说七十年代粒子物理的标志是层子的话,那么,现在我们可以这样说,随着人们对胶子性质的进一步了解,胶子将是八十年代粒子物理的主角之一。让我们满怀喜悦的心情,去欣赏胶子这个微观世界的新成员在科学舞台上的精采表演吧!