核子的内部结构

1. 组分夸克模型的提出

目前普遍认为核子是由价夸克和胶子组成的，但神奇的是，核子的很多性质（如自旋、宇称、质量和磁矩）可以唯象地通过3个组分夸克解释。组分夸克不同于价夸克，其质量要比价夸克的质量大很多。组分夸克模型由盖尔曼和茨威格于1964年正式提出。

组分夸克模型的提出与核子内部结构研究的相关性不大。组分夸克模型提出的背景是1960年前后，人们在世界各地的高能加速器上发现了很多强子，对它们的分类成为一个难题。1964年，盖尔曼通过SU(3)群将基态强子分为介子八重态、重子八重态和十重态，并且成功地预言了Ω重子，因而获得了1969年诺贝尔物理学奖。盖尔曼认为基态强子由3种夸克组成，夸克自旋为1/2，所带电荷为电子电荷的1/3或者2/3。其中，分数电荷的预言成为该理论面临的最大障碍。由于当时没有带有分数电荷的自由粒子存在的证据，甚至连盖尔曼本人都一度认为夸克只是一个数学符号，直到深度非弹性散射实验使人们意识到夸克的存在。组分夸克模型奠定了SU(3)对称性的物理学基础，使得奇异数以及同位旋这些概念有了更深刻的意义，它的提出在物理学发展史中具有里程碑意义。

2. 强相互作用的基本理论QCD的提出

深度非弹性散射实验以及组分夸克模型都说明夸克是强子的基本组成单元，相应地，探究夸克之间的相互作用成为研究的主要课题。学者们在研究强子的统计性质时引入了颜色自由度，即假定每种特定的夸克具有3种颜色，这是一种新的内禀自由度。夸克之间的相互作用通过传递胶子产生。颜色自由度的引入也得到了实验的证实，如正负电子对撞中R值的测量。借鉴电磁相互作用的机制，类比电荷引入色荷，强相互作用通过色荷产生。描述强相互作用的理论被称为QCD。强相互作用具有一个非常重要的特性——渐近自由，由格罗斯、波利策以及威尔切克发现。他们发现夸克之间的相互作用在距离增大、动量减小时变强。强相互作用具有非微扰特性，这使得强相互作用异常复杂。当夸克之间的距离变大，强相互作用的耦合常数也逐渐变大，耦合强度趋向于无穷大。这意味着夸克之间的相互作用使得一对夸克不能分开，即夸克是“色禁闭”的，这是QCD的另一个特性。QCD的色禁闭至今没有在数学上得到严格的证明，但是格点QCD的计算表明夸克是色禁闭的。当夸克之间的距离变大，即能量标度接近QCD能量标度时，微扰论不再有效，必须通过非微扰方法替代QCD。低能强子物理和核物理正是处于这样的能量标度，手征微扰理论成为处理低能QCD非常有效的理论。1973年，格罗斯、波利策和威尔切克分别发表论文提议，SU(3)色规范群下的非阿贝尔规范场可以作为强相互作用的量子场，从而建立了QCD理论。

3. 标准模型

QCD与格拉肖-温伯格-萨拉姆模型是构成基本粒子标准模型的基础。在标准模型中，构成物质的费米子是夸克（u、d、s、c、b、t）和轻子（e、µ、τ）。其中，夸克还存在反粒子，每个夸克有3种颜色自由度，共有36种夸克。轻子包含相应的中微子及其反粒子，共有12种轻子。在标准模型中，玻色子是传递相互作用的载体，传递电磁相互作用的是光子，传递弱相互作用的玻色子有3种（W+、W−、Z），传递强相互作用的胶子有8种。还有分别赋予夸克和轻子质量的希格斯（Higgs）粒子。综上，标准模型中共有61种基本粒子。

标准模型是描述强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用的规范模型，它的规范群是SU(3)C⊗SU(2)L⊗U(1)Y。其中，SU(3)C群作用在夸克的颜色自由度上，负责产生强相互作用；SU(2)L和U(1)Y分别与弱同位旋和弱超荷相联系，产生弱相互作用和电磁相互作用。Higgs粒子的非零真空期望值使得电弱对称性SU(2)L和U(1)Y自发破缺到U(1)EM，这样通过Higgs场与规范场的耦合使得玻色子获得质量，而光子的质量是0。Higgs场的Yukawa耦合使得夸克和带电轻子也获得质量。相应的标准模型的拉氏量包含3个部分：规范场自耦合相互作用以及规范场与费米场之间的相互作用，Higgs场之间的相互作用以及Higgs场与规范场之间的相互作用，Higgs场与费米场的Yukawa相互作用。尽管通过标准模型可以描述绝大部分物理现象，但是它并不是终极理论，如暗物质和暗能量在标准模型中没有有效的候选者、宇宙中正反物质CP不对称性等，这些都不能用标准模型解释。