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第18章 夸克来自哪里呢（第1页）

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1.理论基础：粒子是场的激发态

现代粒子物理学认为：

宇宙中充满了各种量子场（如电子场、夸克场、电磁场）。这些场是基本的存在，弥漫在整个时空之中。

粒子并不是微小的固体球，而是其对应量子场的局部激发，或者说是一小团“振动”或“涟漪”。

你要“创造”一个粒子，就需要向它的场中注入足够的能量，使其产生一个激发的“量子”。

所以，问题转化为：如何向夸克场注入能量，从而激发出一个夸克？

2.如何操作：创造夸克-反夸克对

根据量子场论和实验，能量无法只产生一个单独的夸克。由于“色禁闭”效应，夸克总是必须成对或成群地产生。最常见的方式是产生夸克-反夸克对。

你需要两个关键条件：

极高的能量密度：集中巨大的能量到一个极小的空间里。

合适的力（相互作用）作为“中介”：能量需要通过一种力来转化为物质。

实现这一过程的主要方式有以下几种：

a）高能粒子对撞（人工方式）

这是我们在大型强子对撞机（lhc）等设备中采取的方法。

过程：

将两束粒子（如质子）加速到接近光速，使其拥有巨大的动能（ee）。

让它们迎头相撞。巨大的动能瞬间在极小的碰撞点集中，能量密度极高。

这部分能量可以通过强相互作用（量子色动力学，qcd）或电磁相互作用作为中介，自发地产生出一对夸克-反夸克（qqˉqqˉ）。

形象理解：想象两块高速飞行的石头相撞，撞击产生的巨大能量不是只把石头砸得更碎，而是直接“创造”出了新的、更基本的物质（夸克对）。

b）极高能的光子（γ射线）

光子是纯能量（量子），没有静止质量。

过程：当一个能量极高的光子（γ光子）经过原子核附近时，它强大的电磁场会与原子核的电磁场发生相互作用。这个相互作用过程可以将光子的能量转化为一个电子-正电子对（e?e+e?e+）。

虽然这个例子产生的是电子，但原理相通：纯能量（光子）通过电磁相互作用转化为了具有质量的粒子对。理论上，能量足够高的光子也能产生夸克对，但所需能量远超电子对。

c）宇宙大爆炸（自然方式）

这是能量形成夸克最原始、最宏大的场景。

过程：

宇宙诞生之初，是一个能量极高、温度极高、密度极大的“奇点”。

随着宇宙的膨胀和冷却，能量密度下降。

当能量密度低到一定程度时，原本统一的基本力（如电弱力）发生“相变”，使得能量能够凝结成物质。

在宇宙诞生后的百万分之几秒内，能量通过上述机制，大量地产生了夸克-胶子等离子体（quark-g露onplasma），这是由自由夸克、反夸克和胶子组成的“浓汤”。

之后宇宙进一步冷却，夸克和胶子才被“禁闭”起来，结合形成质子和中子等强子。