由质子、中子构成的原子核

1. π介子与核力

发现原子核以后，人们自然要问，原子核是不是由更小的粒子组成？1910年，卢瑟福用α粒子轰击原子发现了原子核，4年后，他用α粒子轰击氢原子，结果把电子给打掉了，于是人类发现了质子。1932年，查德威克发现了中子。今天，人们通常认为原子核是以质子和中子（统称为核子）为基本单元组成的。核子间的相互作用强度比电磁相互作用强度大很多，所以称为强相互作用。理论物理学家自然要探究质子和中子是通过什么机制束缚在一起形成原子核的。为了解释强相互作用，日本物理学家汤川秀树在1935年提出了π介子交换机制，他认为核子间的相互作用是通过交换一个未知的粒子实现的，即π介子，并根据测不准原理，预言了π介子的质量。π介子在20世纪50年代的实验中被证实存在。

汤川秀树提出的π介子交换机制第一次涉及核力的本质，从那以后，核力的研究主要基于唯象模型。然而，单π介子交换只能描述核力的长程部分，对短程部分以及中程部分无能为力。在此基础上，随着质量较大的ρ介子、ω介子等玻色子的发现，根据粒子交换的思想，人们进一步提出了著名的单玻色子交换模型，能够初步描述核力以及氘核的性质。但是，随着强相互作用的基本理论——量子色动力学（Quantum Chromodynamics，QCD）的构建，为了从第一性原理出发研究核力，温伯格提出利用手征有效场论描述核力。目前，手征核力已实现对核子散射数据的高精度描述，并被广泛应用于核物理领域。一方面，由于QCD的两大特性——渐近自由与色禁闭，手征有效场论将色单态的强子（核子以及π介子）作为相互作用的基本自由度。另一方面，高能区相互作用的细节被吸收到低能常数中。由于核子和π介子都不是点粒子，因此有必要考虑它们的内部结构，即从夸克层次对核力展开研究。手征夸克模型通过引入单胶子交换以描述短程相互作用，定性描述了核力的基本性质。值得一提的是，格点QCD基于夸克-胶子自由度在离散时空中研究强相互作用，于2007年首次得到了核子-核子S波相互作用的基本形式[1]。

2. 质子、中子是基本粒子吗？

到目前为止，人们发现最稳定的粒子是质子，但是质子和中子是否具有内部结构呢？最早证实质子和中子具有内部结构的实验观测量是反常磁矩。实验测得质子和中子的磁矩分别为2.79和−1.91个核磁子，而狄拉克方程中自旋为1/2的点粒子的磁矩为2个核磁子，数值上有很大的偏差。核子的反常磁矩说明核子不是点粒子，而是具有内部结构的复合粒子。

人类探究物质深层次结构的主要方法是散射，例如，以电子作为探针探究质子内部结构，即著名的电子-质子弹性散射实验。电子-质子弹性散射过程实际是电子经过加速辐射出虚光子，虚光子与质子发生相互作用的过程。可通过观测末态电子或者强子的分布情况反推核子的结构性质，如图1所示。通过电子-质子弹性散射实验发现质子是一个直径约为1fm的粒子，即质子不是点粒子。

图1 电子-质子弹性散射过程

进一步，通过电子-质子深度非弹性散射实验发现，质子是由点状部分子组成的，部分子包括夸克和胶子。在部分子模型中，质子所有的可相加量子数，如动量、质量、自旋等，都应该是这些部分子量子数之和。通过测量部分子动量，人们发现质子内夸克和反夸克携带的动量只占质子动量的一半，因此，人们相信质子内部还存在胶子。20世纪80年代，欧洲核子研究中心EMC合作组发现夸克和反夸克的自旋对质子自旋的贡献之和几乎为0，由此引发了核子的“质子自旋危机”。经过多年的努力，人们发现核子自旋来自夸克自旋、胶子自旋以及夸克、胶子的轨道角动量。实验表明，夸克自旋约占核子自旋的25%。目前，质子的自旋之谜仍在研究中，但可以肯定的是，质子和中子不是基本粒子。