最后更新：2021年12月8日

夸克与胶子：禁闭的故事

量子色动力学：束缚夸克的理论

夸克、轻子和玻色子是构成所有已知物质的基本粒子。这些量子实体由标准模型描述，并通过发现夸克（1995年）、陶中微子（2000年）和希格斯玻色子（2012年）得到实验验证。

质子和中子作为原子核的组成部分，属于复合（非基本）粒子。它们与介子（π介子、K介子、η介子、ρ介子等）等约百种短寿命粒子同属强子家族。所有介子均不稳定，寿命介于10⁻⁸至10⁻²³秒之间。唯有质子稳定，其预估寿命达10³⁶年。中子虽在原子核内稳定，但自由状态下约在880.3秒（≈15分钟）内衰变。

描述强相互作用的理论，即负责原子核凝聚以及夸克和胶子质量的理论，是量子色动力学（QCD），由戴维·格罗斯、弗兰克·维尔切克和休·戴维·波利策于1973年提出（2004年诺贝尔奖）。

质子的质量（2个上夸克 + 1个下夸克）或中子的质量（1个上夸克 + 2个下夸克）并不等于其组成部分质量的总和。

夸克仅占核子质量的约1%！

缺失的质量由以下原因解释：

夸克禁闭阻止了它们的孤立：它们被胶子束缚，胶子是电中性粒子，但携带色荷。

与其他基本力（电磁力、弱力、引力）不同，强相互作用会随着夸克间距离的增加而增强。这一被称为渐近自由的现象意味着：

在强子内部，正反夸克对不断产生与湮灭，形成动态的"海"。若碰撞中有一个夸克被弹出，释放的能量会立即生成新粒子（π介子、K介子等），绝不让夸克孤立存在。

示例：在一次高能碰撞中，从质子中拉出的夸克会产生新的强子（如π介子），但初始夸克仍被束缚在原核子内。

QCD通过以下方式描述这一机制：

因此，质子或中子并非由三个夸克静态构成，而是一个夸克、反夸克与胶子持续相互作用的量子汤。其净平衡保持不变：质子为2个上夸克+1个下夸克，中子为2个下夸克+1个上夸克。

这种复杂结构允许：

禁闭是带有色荷的粒子的一种属性。

这一原理是可见物质存在的基础。

在粒子的世界里，有些粒子如同磐石般稳定，而另一些则转瞬即逝，短暂如闪电。例如，质子可以存在数十亿亿年，而ρ介子的存在时间却极其短暂——短到在其整个生命周期中，一束光传播的距离甚至不及一根头发的厚度。这种天壤之别从何而来？答案源于量子物理的基本定律以及决定每种粒子行为的特定相互作用。

总结：粒子的寿命取决于：

标准模型中只有三种粒子被认为是绝对稳定的（或者至少，其寿命之长超过了宇宙的年龄）：

关键基本粒子：类型、寿命及在宇宙中的作用
粒子	类型	估计寿命	在宇宙中的角色
电子	轻子	1020年*	原子的组成部分，电荷载体
质子	重子	1036年	原子核（含中子）
光子	玻色子	∞（稳定）	光的传输与电磁相互作用
中微子	轻子	∞（对所有3种类型均稳定）	来自核反应的结果（太阳、超新星）
* 2025年的实验上限。尚未观测到电子衰变。** 中微子在标准模型中是稳定的，但超出标准模型的理论预测其衰变极其缓慢。

注：理论上，电子可能衰变为中微子和光子，但这一现象从未被观测到。实验上限（2025年）将其寿命设定在远超10²⁰年。中微子在标准模型中稳定存在，但超越标准模型的理论（如大统一理论）预测其存在极其缓慢的衰变。

为什么它们稳定？

电荷守恒：电子不能单独消失，因为其电荷（-1）必须得到补偿。不存在更轻且带有非零电荷的粒子来"接管"这一属性。
重子数守恒：质子是最轻的重子。除非质子衰变（标准模型的一些扩展理论所预言的现象）得到证实，否则质子的衰变将违反这一定律。日本的超级神冈探测器（Super-Kamiokande）和美国的DUNE实验等仍在搜寻这一罕见现象。
缺乏衰变通道：光子和中微子没有能量上有利的“路径”衰变成更轻的粒子。

大多数粒子是短暂的，寿命从纳秒到秒不等。它们的不稳定性源于两个因素：