夸克衰變及其衰變模型

袁立新

(深圳市特力集團，廣東 深圳 518000)

人們非常希望尋找到一種完全沒有內部結構的粒子系列，去構建宇宙物質的結構系統。“物理學家一直企圖尋找物質的最終極、最基本的組分，但始終未能找到一個簡單的、像質點一樣的沒有結構的基本組分，即一種真正的不可分割的‘原子’。研究的每一新層次都揭示出，原來想象基本組分的內部又有了結構與復雜情況”［1］。關于物質結構的研究，在以粒子對撞機為核心技術的指引下，取得了很大的成功，并由此而產生了核子結構的夸克模型。但是，關于夸克，又有亞結構，這與莊子“一尺之錘，日取其半，萬世不竭”的物質無限可分思路相符。本文從宇宙的演化、時序和階段性與物質結構層次性的對應關系上，探討了對物質結構是否無限可分問題。

1 能級與結構的同一性和層次性

宇宙起源元初物質中就存儲了能量，筆者稱之為元能量［2］。元能量是物質結構及其演化的能量基礎。能級決定了物質的結構形式，或者說，結構是能量的存儲方式，并在結構中展開其層次性和多樣性。能級依夸克、核子、核素、原子和分子，可分為五個層次。

夸克是核子內部的結構層次，而元素周期表反映的是核結構和原子結構兩個層次。物質能級的不同，構成了其結構及其物理性質的不同。不同能級層次的物質，其結合能不同。分子等幾個層次“結合能占體系總能量的百分比，在不同的研究層次有很大的區別:分子層次約占10－9;原子層次約占10－5;原子核層次約占 10－3;高能物理超過 1。”［3］

2 粒子與夸克衰變

夸克模型是核子的深層結構模型，通過對夸克及粒子衰變規律分析，可得宇宙演化規律的一般性認識。

2.1 粒子衰變

粒子主要有介子和重子，它們都由夸克組成。所有介子衰變的共同特征，是最終都將衰變成電子、正電子、中微子和光子;重子，其中包括質子、中子和超子(Λ粒子、∑粒子、Ξ粒子)，以及Δ粒子，除質子外，都將衰變［4］。如Λ粒子在10－10s內衰變成一個質子p和一個π介子，然后π介子再衰變。最終為幾個中微子、一個電子和一個質子。

2.2 夸克衰變

在弱相互作用理論中，大多數強子的弱衰變通過c→s或u→d轉換進行［5］。例如一種允許的粲介子衰變為cu→sd。通過弱相互作用，一種夸克可能衰變為另一種夸克，在普通物質中的底夸克、粲夸克和奇異夸克最終都將衰變為上、下夸克［6］。而頂夸克的衰變時間為5×10－25s。粒子組合的6種中的粲(c)奇(s)頂(t)和底夸克(b)顯然是不穩定的;中子(ddu)衰變成質子(uud)，為中子中的一個下d夸克衰變成了上夸克u，因此，下夸克也是不穩定的。6種夸克中，只有上夸克u是穩定的。在d夸克向u夸克的轉化過程中，“電子型中微子ve轉化成電子，μ子型中微子vμ轉化成μ子，在這些轉化同時，夸克也有變化。在95%的事例中，d 夸克變成 u 夸克”［4］。

由重子數守恒定律:重子最終都衰變成質子和其它不能參與強相互作用的粒子，這是現夸克模型中不穩定粒子衰變成穩定性粒子的結果。

超重粒子的衰變，反映了超重粒子的不穩定性。而元素周期表中，從輕核素開始到重核素幾乎都在發生β衰變。這表明了核素自發放射性衰變與夸克模型衰變的一般性。物質的自發放射性衰變是宇宙演化的趨勢及必然結果。

3 宇宙演化的階段性定位

3.1 核素結構與演化的時空特征

由核子平均結合能圖知，鐵元素是最高核結合能元素，以鐵元素為基準，其兩側元素具有截然相反的性質:左側元素分解吸收能量，右側元素分解(裂變)釋放能量;左側元素核聚合(核聚變)釋放能量的，而右側元素核聚合吸收能量［7］。

將宇宙演化的時序性、階段性與元素周期率聯系起來，以最高核結合能的鐵元素，作為現穩定性核素的代表。以核素中子量分析:鐵元素右邊為豐中子核素區，其左邊為少中子核素區;以物質隨時間演化作表述:則，鐵元素右邊為過去元素，以鈾元素為代表;左邊為未來元素區，以氫元素為代表。隨著宇宙的演化，過去元素將以放射性衰變，從重核至輕核直至裂解方式釋放能量，完成其向現在元素——鐵元素的過渡;而未來元素要實現其向現在元素——鐵元素的過渡，則是以核聚變的釋放能量方式。正是這種核素相對于宇宙演化時序性、階段性特征，產生了核素的裂變和聚變。通過這樣兩種激烈的核能釋放方式，核結構分別從過去和未來的時空狀態進入到了現在的核素結構時空狀態。這兩種完全相反的核反應過程的反常現象，在能級與結構的同一性、演化的時序性和階段性上實現了統一。

3.1 夸克的三代構成

以宇宙的演化性、層次性和同一性，將夸克模型與核素作對比。

表1 夸克模型的三代構成

3.2 夸克衰變的階段性

關于物質結構層次的時序性、階段性和層次性的對比分析:

(1)夸克模型中，上夸克u是穩定的夸克粒子，質子是夸克模型中唯一穩定的重子，超重子經衰變最終成結構穩定的質子。在中微子撞擊質子時，在95%的事例中，d夸克變成了u夸克［4］。這表明第一代夸克中的d夸克也屬于過渡態夸克。

(2)超重夸克衰變為上、下夸克的過程表明:上、下夸克應由粲、奇、頂和底夸克等高能夸克衰變的生成物。只要我們加大粒子碰撞的能量，就可得到相應的超重夸克粒子。物質的演化就是一個不斷從高能結構向低能結構衰變的過程。

(3)通過對夸克及其結構的分析知，核子更深層結構的夸克結構，除上夸克(u)外，均為非穩定夸克，而由其組成的粒子，除質子(p)外，均為非穩定粒子。由此表明，所構建的夸克模型應是一個衰變模型。設夸克的過去元素取漢語拼音的guo的第一個字母g，用和g表示;設夸克的未來元素為x和y。由此，夸克結構有下述結構。

3.3 夸克與氫核素演化的階段性

表2 宇宙質子演化階段所對應的粒子、原子結構層次

核素結構的總體演化趨勢:1H←氫)←鐵(56Fe)←鈾(238U)←人工超重核素。

“從1979年以來，我們已經發現了整整一個包含粲夸克的新粒子譜。一類新物質已經上場了，但無論在自然界的什么地方它們都不存在，唯有在高能物理實驗室所形成的極端條件下才會產生”［4］。1997年，第三代夸克中頂夸克的存在也被證實，其質量達到177GeV。隨著粒子對撞機能量的不斷提升，我們是不是“向著世界深處的秘密更加靠攏了”［4］?我們所發現的夸克模型中的超高能粒子，與元素周期表中的人造元素應具有同等的意義。

現階段核素內部能量溢出的初期特征是β衰變。隨著核素中積蓄的內能超環境能量的程度，核素將以γ及α衰變逐步升級，直至裂變，以實現其非穩定核素向穩定核素的轉換。夸克模型超高能粒子的迅速衰變，以及超重核素的衰變，深刻地反映了物質存在的過程性和階段性，以及其穩定性和非穩定性存在的相對性。鈾核素的自發裂變及其生成物，以及人工元素的迅速自發衰變至穩定元素結構的過程，既提供了核素衰變及其生成物的相關解釋，也應揭示了穩定元素的來源及其過程。同時提示我們，現在的核素結構應源于上代超重子組成的高能、高密度核素的衰變。處于那個時代宇宙環境演化階段中的超重子組成的物質結構應是穩定的，所對應的超重夸克粒子也應是穩定的。超重子Λ粒子、∑粒子、Δ粒子和Ξ粒子等，在宇宙的演化史中也應存在過其曾經穩定的時期。隨著宇宙的演化，引力常數減小，宇宙物質的環境結構能量逐步下降，原來的輕核素逐步上升為重核素，原輕粒子Λ、∑、Δ等，就上升為重粒子，而開始了其衰變的歷程。如釙，其原子序數為84，是放射性元素。與穩定性核素鉍209對比，釙的電子排布6s26p4，而鉍為6s26p3，僅為外圍電子排布6p軌道的一個電子之差。釙化學性質既類似于同族的碲，又與鄰族的鉍相近，屬兩性金屬。又如，氡是第六周期的零族元素，如果以前五個周期零族為穩定性元素的規律推論，此元素也應是穩定元素，但是，決定核素穩定性的關鍵是核素內部結構力的是否平衡。隨著宇宙的演化，引力常數的不斷地減小，維持核素穩定的核結合力不斷減小，一旦其核結合力失衡，如核內庫侖膨脹力與核結合力的失衡，即發生核結構放射性自發衰變。放射性核素以自發釋放出核內富余能量的方式，達到其核結構力的平衡，并由此實現了，核素從高能激發態的不穩定核素，向低能態穩定核素的自發轉變。因此，盡管氡元素是零族元素，也成了放射性元素。由此，元素周期律排序中的元素的穩定性不是靜態而是動態的，也反映了元素周期的階段性特征。

4 關于夸克衰變模型的構建

由單態、8重態和10重態構成的夸克模型［8］，10重態在局部上反映了夸克結構的一定規律，但由于是一個固定的模型，而不能反映夸克衰變的一般性。因此，夸克衰變模型的構建，應在夸克模型中添加夸克的過去和未來元素，并構建其衰變規律。

五代夸克衰變模型結構:

關于衰變模型的說明:(1)此夸克衰變模型，由現在已發現的1、2、3代夸克，另加過去與未來兩代夸克，共五代，并以夸克粒子結構衰變方式將五代粒子連接;(2)此夸克衰變模型中省略了g0項，讀者可依據此衰變結構規律自行設計;(3)加框的夸克結構元素是已發現的夸克元素。(4)圖中沒有標注的節點為夸克的重復結構元素。(5)第一代之下的夸克結構元素是夸克的未來結構，是現在還沒出現的夸克結構。(6)從加框的夸克元素看，已發現的夸克元素主要分布于第一代夸克與第二代夸克結構元素之間。處于該能級，已發現的夸克結構元素有ssu，ssd和csu，與其能級相同的夸克結構元素，應可被發現還應包括:scd，ccd，ccc，scc，ssc。能否將現在已發現的眾多的超核［9］，在夸克衰變模型的粒子結構中對號入座?(7)十重態結構是本結構中的s－d－u三角結構區部分;(8)我們沒有發現未來粒子x、y，并不等于其絕對不存在。由于ddx粒子是與其上一代粒子uud能級非常接近的粒子，因此，從中子衰變中最容易確定未來夸克x的是否存在。

5 關于“夸克幽禁”

物質實體自然屬性中，存在著“顯性”與“隱性”兩種表現形式;并且，其隱性也應存在著相對隱性和絕對隱性。

我們視覺世界的物質是顯性的，但是，物質內部結構對于我們的視覺則是隱性的。我們借助于電子顯微設備及輔助分析，可見物質的分子及粒子結構，此隱性結構對于我們而言，也成了顯性。雖然，科學儀器的應用，拓展了我們的視野，但是，科學儀器對于客觀世界物質結構的視界是否有極限呢?

夸克結構是遠超環境能量的高能結構，核素的自發放射性衰變源自于夸克結構能量相對于我們所處世界的能量差，它以自發衰變方式，將其內在相對于環境的超高能量，不斷釋放出來，以達到其能級與環境能級的平衡。夸克能量由于遠超其衰變后的自然環境能量，一旦脫離其結構環境，即立刻衰變為現環境能量的結構形式，核素的β、γ和α衰變，應是夸克結構能量衰變的有形構成，這應是我們看不見夸克的重要原因。

關于“夸克幽禁”還可作如下解釋:設夸克結構為第一世界，核素結構為第二世界，在第一世界與第二世界之間存在著一個接口界面。當夸克粒子從第一世界進入第二世界的過程中，在其接口界面處，即已轉變為第二世界的粒子結構。我們的觀測儀器及觀測方法都是建立在第二世界基礎上的，是我們借以認識第一世界的客觀基礎。當我們處于第二世界中，并從這兩個世界的接口界面外去看第一世界內部的結構時，怎么能看得見呢?此即為物質的“絕對隱性”，或稱為“夸克幽禁”。這猶如在一個暗箱中裝了水，在一定物理條件下，暗箱與環境能量平衡的出口處，我們看見的不是水，而是氫氣和氧氣。

人類關于自然界的認識，是不可能超出自己身處的宇宙歷史演化階段的。我們身處的世界與夸克世界既處于一個統一的宇宙演化時期和物質構成中，又分處于兩個完全不同的能級結構世界，這兩個世界之間應有著不可逾越的能級界面。如果夸克世界中也存在著智慧生物，也應由于此界面的存在，而對人類所處的世界不能認識和理解。

6 討論與結論

經本文分析，粒子“磚塊”結構應是相對而不是絕對的，一定宇宙演化階段對應于一定的粒子“磚塊”結構，“磚塊”結構隨宇宙演化而具有不斷減小的趨勢。以現演化的趨勢，可推測，當物質能級與結構演化到一定階段時，氦核也將成為超重核而發生自發裂變。終極意義上的宇宙演化是物質元能量［2］的完全釋放，那時的宇宙物質將成為完全無內部結構的粒子，是名副其實的“一盤散沙”。由此意義上，現階段宇宙物質不可能由完全無內部結構的粒子組成，但現輕子就是重子結構衰變的未來趨勢。

當人工超高能研究方式介入到物質結構中后，就打破了現存物質能級與結構的平衡，干預了研究對象物質存在的客觀基礎。人工方式產生的高能粒子都是超自然的不穩定粒子，都將以衰變方式迅速回歸其自然狀態。由于物質能級與結構的同一性，不論人工能量能介入到物質結構哪個能級層次，都能找到與其能級相對應的質能轉換粒子。

通過高能物理實驗，我們發現了一些自然界并不存在的物質結構，我們并沒有創造歷史，而只不過是揭示和再現了物質的能級與結構過去曾經存在過的歷史。當粒子對撞能級提升到更高級別時，就應能產生第四代、第五代夸克，及其相應的粒子。由此，建更高能量粒子對撞機的意義何在呢?但應肯定的是，粒子對撞是我們認識微觀世界的重要途徑。通過粒子對撞機，我們獲得了對高能粒子及其內部結構及演化趨勢的認識，完成了高能物理夸克理論的構建，這應是通過粒子對撞機認識物質世界的關鍵所在。

筆者以為，隨演化階段性和時序性展開的物質粒子結構，用“層子”表達應較貼切。“層子”反映了能級與結構演化的動態性及層次性特征。由夸克衰變模型的啟示，是否可以從中子衰變粒子ddx中，找到未來夸克x呢?

夸克模型是否為宇宙的終極結構呢?筆者以為，宇宙隨時間的演化，構成了物質能量的能級和結構的階段性，正是這種隨時間演化的“時”構成了夸克結構階段性的“代”。由此，宇宙大爆炸初期，超高能狀態的物質能級與結構的構成，與現階段物質能級與結構的構成能一致嗎?中間經歷了多少代能級與結構的轉換，或質的階躍呢?如介子原子和介子核［10－11］結構，在過去是否為穩定性結構呢?隨著宇宙的演化，夸克結構的“時代”也將發生更替。

物質存在著不同質的轉換界面這已被證實。在高能物理研究中，人類對自然能量的利用和駕馭所進行的物質結構的探索，已遠超物質結構的實際存在狀態，“夸克幽禁”問題所提出的應是人類對自然物質能級與結構認識的極限問題。正如人不能自舉，人類認識自然的基礎是建立在自然存在基礎上的，而“夸克幽禁”問題應涉及到了，人類對自然的超自然認識問題。人類關于自然的認識一定存在著一個不可逾越的超自然認識界面。夸克與核子層次能級的過渡，就帶來了我們對于此的思考。

筆者以為，目前宇宙的演化還是處于較高能級階段，能級與結構的對應及其演化是難以窮盡的，因此，有必要認真反思一下我們對于物質終極認識上的問題，高能物理研究思路上的問題，繼續深入、巨資投入的高能物理研究是否物有所值?二十世紀以來，在高能物理研究方面，已經取得了很多的研究成果和經驗，關于高能物理研究方向及理論瓶頸，以筆者看來，技術方面雖存在一些問題，但研究思路方面應存在著大的問題。

對于能級與結構的同一性，從“給個支點我可以撬動地球”的意義上，可以說:確定一種能級，就能夠得到一類與其相應的結構!只要能級的演化沒有完結，與其相應的結構的演化就不會完結。

只要物質結構中蘊藏的元能量沒有完全釋放的情況下［2］，物質結構隨能級演化的層級構建就不會完結，物質就不可能完全由無內部結構的粒子組成。核素的自發衰變過程，是核素自然演化過程中，其深層次結構能從隱性到顯性的自然釋放過程。核素通過其內在的、隱性結構能的釋放，源于其內在的、深層的夸克衰變，實現了核素從不穩定到穩定的自然轉變。

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