怎样把夸克从原子核内部分离出来？

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子乾，兴趣使然的科普

首先说结论：（根据目前的实验和理论）夸克是不可能从强子中分离出来单独存在的！实际上，到目前为止，人类从来没有直接的观察到过单个的自由的夸克！通过实验分析发现，夸克存在所谓的色禁闭现象（confinment），但是到目前为止却无法通过量子色动力学第一性原理得出这个结果。下面的内容是对这个做出的详细说明，内容有点长：

1、这是为什么呢？既然从来没有观察到过夸克又是如何知道夸克是存在的呢？这个就要从粒子物理的历史来说了。在说夸克之前，可以简单的说一下电子。电子是可以单独存在的，可以从原子中分离出来，很早就被发现了，描述电子——光子（电磁波）相互作用的量子理论称做量子电动力学（Quantum Electrodynamics, QED)。但是对于夸克来说事情没有这么简单。实际上，我们能观测到的只有强子（Hadron)，强子包括介子（Meson）和重子(Baryon)。最先发现的强子就是质子和中子，因为原子核就是由质子和中子构成的，因此很容易被发现。从上个世纪开始，科学家从宇宙射线中陆续观测到了各种各样的强子，这些强子的性质各不相同，包括质量、衰变周期、自旋、宇称等性质。慢慢的，发现的强子越来越多，大家就开始想能否对这些强子进行分类。对大量类似物质进行分类是一种非常直接的想法，化学中对不同的原子进行分类得到元素周期表就是分类的过程，宏观世界的各种各样的物质，通过对其性质研究分类，最终发现都能由元素周期表中的元素或元素组合构成。其实这样分类的过程本质上是寻找动力学系统基本自由度的过程，得到的基本自由度个数往往比被分类物质的种类小很多。那么同样的，对于大量的强子是不是也能通过分类得到“强子周期表”？如果能得到强子周期表是不是也能找到对应的基本自由度？

答案是肯定的。这些发现的强子，按照自旋的不同，都可以在超荷——同位旋图上进行标记分类，比如说赝标介子八重态和单态：

其中的

$\pi$

介子三重态就可以放到这里面，还有我们熟知的质子和中子可以归结到重子八重态中去：

重子不仅有八重态，还有十二重态：

对于每一个图中的粒子，自旋、宇称是相同的，但是质量是不同的，不过质量之前却有一定的关系。实际上，图 3 中的

$\Omega^-$

粒子最开始并没有被观测到。但是每一张图中的同一行粒子的质量接近，行与行之间的粒子质量差值相似，因此，如果这样的分类是正确的话，就应该存在一个质量在这附近的粒子，后来确实在实验上发现一个差不多质量的粒子，就是

$\Omega^-$

粒子！

既然我们已经做好了这样的分类，那么基本自由度是什么呢？经过一系列的尝试，大家发现夸克模型能作为基本的自由度，通过夸克的各种组合就能得到上面各种图中的各种粒子。比如说：

比如，

$\pi$

介子就是有 u 夸克和 d 夸克及其反夸克构成的，质子是由两个 u 夸克和一个 d 夸克构成。其它的强子都可以用类似的办法构成。然后根据这个夸克模型，建立了描述强相互作用的量子色动力学（Quantum Chromdynamics, QCD）。我们发现了这么多的强子，也能用夸克模型进行解释分类，但是在实验上却没有观测到自由的夸克，这个现象被称为色禁闭，夸克是带颜色的，而低能下夸克只能相互结合形成不带颜色的粒子，也就是强子态。

2、那么我们就观测不到任何夸克的迹象吗？实际上也不是。首先可以通过深度非弹性散射，把高能的电子打入到质子中，通过对实验结果的分析发现，质子内部存在大量的接近自由运动的部分子（Parton），这个概念最开始由费曼提出的。通过对部分子的性质分析，发现部分子的性质和夸克模型中的夸克非常相近，这个对夸克模型在一定程度是支持的。

还有一种办法，就是通过重离子对撞，在很小的区域激发大量的强子，行成一团高温的热力学系统，也就是所谓的夸克胶子等离子体（Quark-Gluon-Plasma, QGP）。

这个想法最初是李政道先生提出的。大家认为，在夸克胶子等离子体的相中，色禁闭现象已经消失，此时夸克可以在这团物质中可以自由运动，并不一定会以强子态的形式存在。但是，这样的一团物质会迅速碰撞，温度迅速下降，系统由退禁闭相变到禁闭相，QGP 中的自由夸克相互作用重新结合生成强子。这个过程非常短暂，最终进入探测器的粒子都是强子态而不是自由夸克态，因此只能通过对末态的强子分析反推中间态，假如发现 QGP 态，那么也无疑是对夸克模型以及量子色动力学的强有力的支持，相关的成果也是诺贝尔奖级的成果。目前，在美国布鲁海文国家实验室中的 RHIC 实验已经欧洲核子中心的 LHC 上都在进行相关的实验，但是到目前为止还没有强有力的证据说明 QGP 相一定存在。

3、回到题主的问题上，根据前面的分析可以知道，在题主关心的情况下夸克不可能单独存在的，那么如果我们非要把夸克从强子中往外拉结果会如何呢？比如说对于介子，介子内部一对正反夸克，把夸克往外拉是需要提供能量的，为了如果给的能量太小就拉不出来，如果给的能量非常大确实能把夸克拉出来，但是就在同时，被拉出来的夸克会和从真空中激发出来的一个反夸克结合，原本剩下的反夸克会和真空中激发出来的夸克结合，这样，原本的一个介子变为了两个新的介子，还是不会有单独的夸克存在！那么真空会激发出新的夸克呢？因为拉的过程中提供了能量，这些提供的能量激发出了新的夸克和原本的夸克形成行的粒子！

通过格点 QCD 的计算发现，（无穷重）夸克之间的相互作用（单胶子交换）势能为：