部分子模型

部分子模型（parton model）是根據電子對核子的深度非彈性散射實驗所提出的描述高能碰撞現象的強子結構模型。高能電子－核子深度非彈性散射實驗顯示出在核子內部電荷的分布不是連續分布而是集中在一些點上，這表明，從電荷結構來看，核子內部存在一些帶電的點粒子。而這些點粒子之間近似看為沒有相互作用。現今，部分子模型不僅用於電子對核子深度非彈散射上，在對質子對撞的過程中也會套用這個模型。

基本介紹

• 中文名：部分子模型
• 外文名：parton model
• 領域：粒子物理

基本概念

部分子（parton）是指某些種基本粒子的組合，用來描述核子內部高能碰撞現象的強子結構模型。實驗上通過輕子–核子深度非彈性散射來研究核子的內部結構，這一散射過程可用部分子模型加以解釋。按照部分子模型，核子由數目眾多的部分子組成，每個部分子都攜帶核子縱向動量的一部分，這個份額用x表示(0<x<1)。可引入部分子的分布函式f(x)，它描寫某一個部分子攜帶核子縱向動量份額x的機率大小。分布函式反映了核子的自身性質和強相互作用的性質。作為最初步的描寫，可把輕子–核子非彈性散射描寫為輕子與核子中各種部分子不相干彈性散射的結果。

核子中的部分子包括夸克、反夸克和膠子，它們存在各自的分布函式，q(x)和g(x)。
如果某一種強子，按照夸克模型它的組成體中含有第i種夸克q，則在部分子模型中，這種夸克的分布函式q_i(x)就會在x=0～1的範圍中都存在分布，特別是在大x區域也出現相當的分布，稱之為價夸克分布。反之，如果某一種強子，按照夸克模型它的組成體中不含有第i種夸克q_i，則在部分子模型中，這種夸克的分布函式q_i(x)就只會在小x區域存在分布，稱之為海夸克分布。

如質子由uud夸克組成，則在它的分布函式中就有u(x)=u_v(x)+u_s(x)，就d(x)=d_v(x)+d_s(x),s(x)=s_s(x) （下標v和s分別代表價夸克和海夸克）。

基本概念

1969年R.費曼提出部分子模型，認為強子是由許多帶電的點粒子構成，這些點粒子稱為部分子，在高能電磁相互作用和弱相互作用過程中可以近似作為相互獨立的粒子。

部分子模型是從實驗事實出發而提出的理論，初期對部分子的性質並不能完全確定，但現在我們知道這主要的依據在於強相互作用的漸近自由。

部分子模型在解釋高能碰撞現象中取得了一系列成功，同時也通過與實驗的對比而對部分子的性質有進一步的了解。

理論詮釋

對實驗的分析表明，在電子深度非彈性散射中探測到的帶電部分子具有1/2自旋，實際上就是夸克或反夸克，這樣部分子模型和夸克模型結合起來就成為夸克－部分子模型。這個模型認為由於強子是由夸克通過色相互作用結合成的複合粒子，強子內的部分子可以由三類粒子組成：一類稱為價夸克，它們的數目和味是確定的並隨不同強子而不同，價夸克決定強子的性質；一類稱為海夸克，它們的數目和味是不確定的，但其總和的味性質和真空相同；一類稱為膠子，它們的數目不定，其味性質和真空相同，起傳遞色相互作用的作用。這個模型認為決定強子內部結構的動力學機制是量子色動力學（QCD），並充分利用部分子模型中發展的方法來進行處理。這個模型已成為分析研究高能碰撞現象的重要理論工具。

靜態夸克模型建立之後，經歷了十年左右的各種實驗，都沒有發現分數電荷的自旋1/2的夸克存在，物理學家被迫接受了夸克是禁閉在強子內部的現實。然而，美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）在70年代初進行了一系列的輕強子深度非彈性散射實驗，發現強子的結構函式具有比約肯無標度性。為解釋這個令人驚奇的結果，費曼由此提出了部分子模型，假設強子是由一簇自由的沒有相互作用的部分子組成的，就可以自然的解釋比約肯無標度性。更細緻的研究確認了部分子的自旋為1/2，並且具有分數電荷。

部分子模型和靜態夸克模型都取得了巨大成功，但是兩個模型對強子結構的描述有嚴重的衝突，具體來講就是夸克禁閉與部分子無相互作用之間的衝突。這個問題的真正解決要等到漸近自由的發現。計算表明，非阿貝爾規範場論中夸克相互作用強度隨能標的增加而減弱，部分子模型的成功正預示著存在SU（N）的規範相互作用，N自然的就解釋為原先夸克模型中引入的新自由度——顏色。