夸克子、奇異星、及夸克物質Quarks, Quark Matter and

Strange Stars

朱明中香港中文大學物理系

• 夸克子 (quarks) 與強作用力 (strong force)

• 夸克子之禁閉 (confinement)

• 發現夸克子 : 高能電子 - 核粒子散射實驗 (deep inelastic electron-nucleon scattering)

• 夸克物質 (quark matter): 重塑宇宙之初！• 奇異星 (strange stars)

• 中大相關研究

夸克子與強作用力Quarks and strong force

夸克子與強作用力• 強作用力 (strong force): 四種基本力之一

• 主控核粒子 nucleons （及所有強子 hadrons ）之相互作用 如質子 protons ，中子neutrons, 介子 mesons ， K 介子，粒子 ‧‧‧‧

Ref.: Serway, Moses, Moyer, ‘Modern Physics’ (Saunders College Publishing, 1996)

D.H. Perkins, ‘Introduction to High Energy Physics’ (Addison-Wesley, 1982)

短程 (~10-15m) ，強（重 << 弱 < 電磁 < 強）

偶合常數 : 10-40 10-5 10-2 1coupling constant

強子 (hadrons)= 帶強作用力粒子

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/hadron.html

高能粒子撞擊實驗中做出超過一百粒各種粒子，大部份於極短時間衰變 兩類 : 重子 (baryons) 如p, n 及介子 (mesons) 如 , K

夸克子與強作用力• 所有強子由夸克子組成 (M. Gell-Mann + G. Zweig,

1964)• 夸克子有六種 : u (up), d (down), s (strange), c (charm),

b (bottom/beauty), t (top)• 夸克子帶強荷、弱荷、電荷、質量

• 夸克子直徑小於 10-18m色荷 color charge r g b

MeV – 100’s GeV

份數電荷 1 2

| |, | |3 3

e e

dsb uct 基本粒子

Murray Gell-Mann Nobel Prize in Physics 1969‘for his contributions and discoveries concerning the classification of elementary particles and their interactions’

http://www.nobel.se/physics/laureates/1969/

夸克模型 (Quark Model)• 強子 = 夸克之「無色」 (colorless) 組合 （ ~ 原子 = 原子核＋電子之中性電荷組合）

• 兩種方式 : ( r+g+b) → 重子 (baryons) (r+r ) → 介子 (mesons)

• 例如 : 質子 (protons) = uud (rgb)

中子 (neutrons) = udd (rgb)

介子 ( mesons) = ud (bb) K0 介子 ( K0 mesons) = ds (r r )

b

r

g

r

r

重子 baryons

介子 mesons

強子 hadrons

0 0, , , , , , , , , ....p n

0 0, , , , ', , , , / , ...K K K J

強作用力 (strong interaction)• 夸克子交換膠子 (gluons)

• 膠子帶兩種色，無質量• 夸克子每吸／放膠子都「變色」，如

膠子帶紅藍二色u

u

d

dg

e-

e-

p+

p+

以交換光子傳遞光子不帶電荷粒子亦不改變電荷

與電磁力相似但不同 :

Quantum ChromoDynamics

夸克子之禁閉 (quark confinement)

夸克子之禁閉• 夸克子，膠子間強作

用→緊密連結成強子• 每一強子內有不定數量之夸克子及膠子，隨生隨滅

• 高能撞擊亦未能釋出自由夸克子→禁閉

q

q

g

g

QCD 理論之最大懸案

彈簧模型 (spring/string model)

• 兩夸克子之強作用力像彈簧

勢能 potential energy 隨夸克子距離增加 E=kr

如 :

勢能大於夸克子對質量E>2mc2

q

q

漸近自由 Asymptotic freedom

• 強荷隨夸克距離而改變 (running coupling constant)

• 長距離時強荷強→相互作用大→禁閉• 夸克 / 膠子短距離 ( m) 相互作用微弱→自由夸克 / 膠子

• D. Gross, H. D. Politzer, F. Wilczek 於一九七三年發現

1510r

2 21/ ln / ; 1/Q Q r

高能電子 - 核粒子散射實驗deep-inelastic electron-nucleon

scattering

盧瑟福散射 (Rutherford Scattering)

• 以高能粒子撞擊目標，從散射情況得知目標結構

• 盧瑟福以高能 (20000m/s) 粒子撞擊金箔，發現有少數 (1/20,000) 粒子被大角度散射，得知原子內有細小而堅固的原子核

• 盧瑟福並已推測中子 (neutrons) 之存在http://www.physics.brown.edu/Studies/Demo/modern/demo/7d5010.htm

Geiger, Marsden, Rutherford 1910-14

4/ sin / sin ( / 2)d d

盧瑟福散射 (Rutherford Scattering)

• 查德威 (Chadwick) 用更高能撞擊把原子核打破，釋出中子及質子，證明中子之存在 (1932)

• 原子核半徑 ~10-14m ， 核粒子半徑 ~10-15m ，皆遠小於光波長，必需用高能粒子

鈹箔

核子偵測器

中子

氮核子

14

15

/ : 10 m 20MeV/c

10 m 200MeV/c

h p p

p

高能電子散射• 粒子愈高能，愈能感應微細結構→更高「解像度」 (resolution)

• 研究核粒子結搆→用更高能電子（沒有強作用）

• SLAC-MIT 研究組於 1966-1978 利用幾十億電子伏特 (<20GeV) 能量之電子撞擊核粒子

• 發現大角度散射遵從盧瑟福散射• 費曼 (R. Feynman): 核粒子內有質點 (point

particles) =“ 部份子 (partons)”→ 夸克子

史丹福線性粒子加速器Stanford Linear Accelerator SLAC

Photos Courtesy Stanford Linear Accelerator Center. www.slac.stanford.edu/

3km

R. TaylorJ. Friedman

H. Kendall

Nobel Prize in Physics 1990“for their pioneering investigations concerning deep inelastic scattering of electrons on protons and bound neutrons, which have been of essential importance for the development of the quark model in particle physics.”

Photo courtesy SLAC http://www2.slac.stanford.edu/vvc/nobel/1990nobel.html

自由夸克何處尋 ?

1. 夸克物質 (Quark matter)

高能重離子碰撞Ultra-relativistic Heavy-ion collisions• QCD 理論預測高溫或高密度時強荷變弱

• 至高溫或高密時可「釋放」夸克 : 相變(phase transition)

• 如液態水→蒸氣

( , ) 0 for orT T

T

核子物質

夸克物質Tc

cTc~140 MeV

~1012K!

Figures courtesy Brookhaven National Labhttp://www.bnl.gov/RHIC/

Relativistic Heavy Ion ColliderBrookhaven National Lab, NY

實驗於 2000 年開始重離子（至鈾）加速至 200GeV/n (v=0.99995c) 對

撞，於極短時間達至 1012 K ，重塑宇宙初開狀況。

~1km

Figures courtesy Brookhaven National Lab http://www.bnl.gov/RHIC/

粒子加速管道

其中之一個粒子探測器 STAR

Photo downloaded from http://www.star.bnl.gov/

Photo downloaded from http://www.bnl.gov/rhic/fascinating.htm

Au on AuDownloaded from Brookhaven National Lab webpagehttp://www.bnl.gov/rhic/fascinating.htm

A real event in one of the detectorsDownloaded from Brookhaven National Lab webpagehttp://www.bnl.gov/rhic/full_en_images.htm

製造夸克物質• 高能重離子對撞→高溫火球 →夸克–膠子漿 (Quark-gluon Plasma)?

• 火球急速膨脹、降溫，夸克物質只維持約10-23s

• 夸克–膠子漿冷卻至 T<Tc轉化成強子（ , K ， p ， n ，… )

• 如何得知曾形成夸克–膠子漿 ?• 最新結果 :

http://www.bnl.gov/bnlweb/pubaf/pr/2003/bnlpr061103.htm

自由夸克何處尋 ?

2. 奇異星 (strange stars)

致密星 (compact stars)• 大質量恆星 (M > 3Mo)死亡時必經超新星爆炸 (supernova)

• 恆星大部份物質拋出太空，剩下核心形成致密星 (~1.5 Mo, R~10-100 km)

超新星爆炸Animation courtesy Bryan Preston (STScI/AVL)

SN1987A 超新星 1987A

Photo courtesy Anglo-Australian Observatory

M1 蟹狀星雲Crab Nebula

Photo courtesy NOAO

Animation courtesy NASA/CXC/ASU/J. Hester et al.downloaded from http://chandra.nasa.gov/

Chandra X-ray HST

Pulsar/compact star

蟹狀星雲 M1

M1 之脈沖

拍於中大

傳統理論 : 致密星= 急促自轉中子星neutron star

http://www.fourmilab.ch/earthview/vplanet.html~50km Photo credit: NASA

尋找奇異星 (strange stars)奇異星 = u, d, s 夸克組成的星體

理論上高溫高密時比中子星穩定

? ?若穩定，可以比中子星更細小 (R~7 km) ，而且冷卻極快。

4/2002: 3C58 及 RXJ 1856.5-3754 可能是奇異星！

RXJ 1856.5-3754可見光

Credit: European Southern Observatory Very Large Telescope

Photos courtesy NASA/CXC/SAO downloaded from

http://chandra.harvard.edu/press/kits/strangematter/index.html

X-ray

Chandra/NASA

R~11.3 km 太小 !

http://www1.msfc.nasa.gov/NEWSROOM/news/releases/2002/02-082.html

3C58

Photo courtesy NASA/CXC/SAO

Chandra X-ray

SN1181 遺下之致密星

表面溫度 < 106

K太冷 !

中大的相關研究

中大的相關研究• 在高溫度時強作用物質之性質• 強子的夸克結構 (Klaus Colanero, PhD)

• 奇異星之相變 (黃嘉華 , MPhil)

• 夸克–強子相變對宇宙膨脹之影響 (陳文豪、林江， MPhil)

奇異星 在中大人

黃嘉華

研究初步結論﹕

1.超新星可以製造奇異星

2.奇異星急速冷卻變回中子星

3.相變釋放大量能量 (潛熱 )~1053 ergs

4.兩次中微子爆發中微子望遠鏡觀測

伽瑪線爆發 GRB源？

• 夸克子 (quarks) 與強作用力 (strong force)

• 夸克子之禁閉 (confinement)

• 發現夸克子 : 高能電子 - 核粒子散射實驗 (deep inelastic electron-nucleon scattering)

• 夸克物質 (quark matter): 重塑宇宙之初！• 奇異星 (strange stars)

夸克子、奇異星、及夸克物質

醒啦！