夸克衰变及其衰变模型

袁立新

(深圳市特力集团，广东 深圳 518000)

人们非常希望寻找到一种完全没有内部结构的粒子系列，去构建宇宙物质的结构系统。“物理学家一直企图寻找物质的最终极、最基本的组分，但始终未能找到一个简单的、像质点一样的没有结构的基本组分，即一种真正的不可分割的‘原子’。研究的每一新层次都揭示出，原来想象基本组分的内部又有了结构与复杂情况”［1］。关于物质结构的研究，在以粒子对撞机为核心技术的指引下，取得了很大的成功，并由此而产生了核子结构的夸克模型。但是，关于夸克，又有亚结构，这与庄子“一尺之锤，日取其半，万世不竭”的物质无限可分思路相符。本文从宇宙的演化、时序和阶段性与物质结构层次性的对应关系上，探讨了对物质结构是否无限可分问题。

1 能级与结构的同一性和层次性

宇宙起源元初物质中就存储了能量，笔者称之为元能量［2］。元能量是物质结构及其演化的能量基础。能级决定了物质的结构形式，或者说，结构是能量的存储方式，并在结构中展开其层次性和多样性。能级依夸克、核子、核素、原子和分子，可分为五个层次。

夸克是核子内部的结构层次，而元素周期表反映的是核结构和原子结构两个层次。物质能级的不同，构成了其结构及其物理性质的不同。不同能级层次的物质，其结合能不同。分子等几个层次“结合能占体系总能量的百分比，在不同的研究层次有很大的区别:分子层次约占10－9;原子层次约占10－5;原子核层次约占 10－3;高能物理超过 1。”［3］

2 粒子与夸克衰变

夸克模型是核子的深层结构模型，通过对夸克及粒子衰变规律分析，可得宇宙演化规律的一般性认识。

2.1 粒子衰变

粒子主要有介子和重子，它们都由夸克组成。所有介子衰变的共同特征，是最终都将衰变成电子、正电子、中微子和光子;重子，其中包括质子、中子和超子(Λ粒子、∑粒子、Ξ粒子)，以及Δ粒子，除质子外，都将衰变［4］。如Λ粒子在10－10s内衰变成一个质子p和一个π介子，然后π介子再衰变。最终为几个中微子、一个电子和一个质子。

2.2 夸克衰变

在弱相互作用理论中，大多数强子的弱衰变通过c→s或u→d转换进行［5］。例如一种允许的粲介子衰变为cu→sd。通过弱相互作用，一种夸克可能衰变为另一种夸克，在普通物质中的底夸克、粲夸克和奇异夸克最终都将衰变为上、下夸克［6］。而顶夸克的衰变时间为5×10－25s。粒子组合的6种中的粲(c)奇(s)顶(t)和底夸克(b)显然是不稳定的;中子(ddu)衰变成质子(uud)，为中子中的一个下d夸克衰变成了上夸克u，因此，下夸克也是不稳定的。6种夸克中，只有上夸克u是稳定的。在d夸克向u夸克的转化过程中，“电子型中微子ve转化成电子，μ子型中微子vμ转化成μ子，在这些转化同时，夸克也有变化。在95%的事例中，d 夸克变成 u 夸克”［4］。

由重子数守恒定律:重子最终都衰变成质子和其它不能参与强相互作用的粒子，这是现夸克模型中不稳定粒子衰变成稳定性粒子的结果。

超重粒子的衰变，反映了超重粒子的不稳定性。而元素周期表中，从轻核素开始到重核素几乎都在发生β衰变。这表明了核素自发放射性衰变与夸克模型衰变的一般性。物质的自发放射性衰变是宇宙演化的趋势及必然结果。

3 宇宙演化的阶段性定位

3.1 核素结构与演化的时空特征

由核子平均结合能图知，铁元素是最高核结合能元素，以铁元素为基准，其两侧元素具有截然相反的性质:左侧元素分解吸收能量，右侧元素分解(裂变)释放能量;左侧元素核聚合(核聚变)释放能量的，而右侧元素核聚合吸收能量［7］。

将宇宙演化的时序性、阶段性与元素周期率联系起来，以最高核结合能的铁元素，作为现稳定性核素的代表。以核素中子量分析:铁元素右边为丰中子核素区，其左边为少中子核素区;以物质随时间演化作表述:则，铁元素右边为过去元素，以铀元素为代表;左边为未来元素区，以氢元素为代表。随着宇宙的演化，过去元素将以放射性衰变，从重核至轻核直至裂解方式释放能量，完成其向现在元素——铁元素的过渡;而未来元素要实现其向现在元素——铁元素的过渡，则是以核聚变的释放能量方式。正是这种核素相对于宇宙演化时序性、阶段性特征，产生了核素的裂变和聚变。通过这样两种激烈的核能释放方式，核结构分别从过去和未来的时空状态进入到了现在的核素结构时空状态。这两种完全相反的核反应过程的反常现象，在能级与结构的同一性、演化的时序性和阶段性上实现了统一。

3.1 夸克的三代构成

以宇宙的演化性、层次性和同一性，将夸克模型与核素作对比。

表1 夸克模型的三代构成

3.2 夸克衰变的阶段性

关于物质结构层次的时序性、阶段性和层次性的对比分析:

(1)夸克模型中，上夸克u是稳定的夸克粒子，质子是夸克模型中唯一稳定的重子，超重子经衰变最终成结构稳定的质子。在中微子撞击质子时，在95%的事例中，d夸克变成了u夸克［4］。这表明第一代夸克中的d夸克也属于过渡态夸克。

(2)超重夸克衰变为上、下夸克的过程表明:上、下夸克应由粲、奇、顶和底夸克等高能夸克衰变的生成物。只要我们加大粒子碰撞的能量，就可得到相应的超重夸克粒子。物质的演化就是一个不断从高能结构向低能结构衰变的过程。

(3)通过对夸克及其结构的分析知，核子更深层结构的夸克结构，除上夸克(u)外，均为非稳定夸克，而由其组成的粒子，除质子(p)外，均为非稳定粒子。由此表明，所构建的夸克模型应是一个衰变模型。设夸克的过去元素取汉语拼音的guo的第一个字母g，用和g表示;设夸克的未来元素为x和y。由此，夸克结构有下述结构。

3.3 夸克与氢核素演化的阶段性

表2 宇宙质子演化阶段所对应的粒子、原子结构层次

核素结构的总体演化趋势:1H←氢)←铁(56Fe)←铀(238U)←人工超重核素。

“从1979年以来，我们已经发现了整整一个包含粲夸克的新粒子谱。一类新物质已经上场了，但无论在自然界的什么地方它们都不存在，唯有在高能物理实验室所形成的极端条件下才会产生”［4］。1997年，第三代夸克中顶夸克的存在也被证实，其质量达到177GeV。随着粒子对撞机能量的不断提升，我们是不是“向着世界深处的秘密更加靠拢了”［4］?我们所发现的夸克模型中的超高能粒子，与元素周期表中的人造元素应具有同等的意义。

现阶段核素内部能量溢出的初期特征是β衰变。随着核素中积蓄的内能超环境能量的程度，核素将以γ及α衰变逐步升级，直至裂变，以实现其非稳定核素向稳定核素的转换。夸克模型超高能粒子的迅速衰变，以及超重核素的衰变，深刻地反映了物质存在的过程性和阶段性，以及其稳定性和非稳定性存在的相对性。铀核素的自发裂变及其生成物，以及人工元素的迅速自发衰变至稳定元素结构的过程，既提供了核素衰变及其生成物的相关解释，也应揭示了稳定元素的来源及其过程。同时提示我们，现在的核素结构应源于上代超重子组成的高能、高密度核素的衰变。处于那个时代宇宙环境演化阶段中的超重子组成的物质结构应是稳定的，所对应的超重夸克粒子也应是稳定的。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应存在过其曾经稳定的时期。随着宇宙的演化，引力常数减小，宇宙物质的环境结构能量逐步下降，原来的轻核素逐步上升为重核素，原轻粒子Λ、∑、Δ等，就上升为重粒子，而开始了其衰变的历程。如钋，其原子序数为84，是放射性元素。与稳定性核素铋209对比，钋的电子排布6s26p4，而铋为6s26p3，仅为外围电子排布6p轨道的一个电子之差。钋化学性质既类似于同族的碲，又与邻族的铋相近，属两性金属。又如，氡是第六周期的零族元素，如果以前五个周期零族为稳定性元素的规律推论，此元素也应是稳定元素，但是，决定核素稳定性的关键是核素内部结构力的是否平衡。随着宇宙的演化，引力常数的不断地减小，维持核素稳定的核结合力不断减小，一旦其核结合力失衡，如核内库仑膨胀力与核结合力的失衡，即发生核结构放射性自发衰变。放射性核素以自发释放出核内富余能量的方式，达到其核结构力的平衡，并由此实现了，核素从高能激发态的不稳定核素，向低能态稳定核素的自发转变。因此，尽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稳定性不是静态而是动态的，也反映了元素周期的阶段性特征。

4 关于夸克衰变模型的构建

由单态、8重态和10重态构成的夸克模型［8］，10重态在局部上反映了夸克结构的一定规律，但由于是一个固定的模型，而不能反映夸克衰变的一般性。因此，夸克衰变模型的构建，应在夸克模型中添加夸克的过去和未来元素，并构建其衰变规律。

五代夸克衰变模型结构:

关于衰变模型的说明:(1)此夸克衰变模型，由现在已发现的1、2、3代夸克，另加过去与未来两代夸克，共五代，并以夸克粒子结构衰变方式将五代粒子连接;(2)此夸克衰变模型中省略了g0项，读者可依据此衰变结构规律自行设计;(3)加框的夸克结构元素是已发现的夸克元素。(4)图中没有标注的节点为夸克的重复结构元素。(5)第一代之下的夸克结构元素是夸克的未来结构，是现在还没出现的夸克结构。(6)从加框的夸克元素看，已发现的夸克元素主要分布于第一代夸克与第二代夸克结构元素之间。处于该能级，已发现的夸克结构元素有ssu，ssd和csu，与其能级相同的夸克结构元素，应可被发现还应包括:scd，ccd，ccc，scc，ssc。能否将现在已发现的众多的超核［9］，在夸克衰变模型的粒子结构中对号入座?(7)十重态结构是本结构中的s－d－u三角结构区部分;(8)我们没有发现未来粒子x、y，并不等于其绝对不存在。由于ddx粒子是与其上一代粒子uud能级非常接近的粒子，因此，从中子衰变中最容易确定未来夸克x的是否存在。

5 关于“夸克幽禁”

物质实体自然属性中，存在着“显性”与“隐性”两种表现形式;并且，其隐性也应存在着相对隐性和绝对隐性。

我们视觉世界的物质是显性的，但是，物质内部结构对于我们的视觉则是隐性的。我们借助于电子显微设备及辅助分析，可见物质的分子及粒子结构，此隐性结构对于我们而言，也成了显性。虽然，科学仪器的应用，拓展了我们的视野，但是，科学仪器对于客观世界物质结构的视界是否有极限呢?

夸克结构是远超环境能量的高能结构，核素的自发放射性衰变源自于夸克结构能量相对于我们所处世界的能量差，它以自发衰变方式，将其内在相对于环境的超高能量，不断释放出来，以达到其能级与环境能级的平衡。夸克能量由于远超其衰变后的自然环境能量，一旦脱离其结构环境，即立刻衰变为现环境能量的结构形式，核素的β、γ和α衰变，应是夸克结构能量衰变的有形构成，这应是我们看不见夸克的重要原因。

关于“夸克幽禁”还可作如下解释:设夸克结构为第一世界，核素结构为第二世界，在第一世界与第二世界之间存在着一个接口界面。当夸克粒子从第一世界进入第二世界的过程中，在其接口界面处，即已转变为第二世界的粒子结构。我们的观测仪器及观测方法都是建立在第二世界基础上的，是我们借以认识第一世界的客观基础。当我们处于第二世界中，并从这两个世界的接口界面外去看第一世界内部的结构时，怎么能看得见呢?此即为物质的“绝对隐性”，或称为“夸克幽禁”。这犹如在一个暗箱中装了水，在一定物理条件下，暗箱与环境能量平衡的出口处，我们看见的不是水，而是氢气和氧气。

人类关于自然界的认识，是不可能超出自己身处的宇宙历史演化阶段的。我们身处的世界与夸克世界既处于一个统一的宇宙演化时期和物质构成中，又分处于两个完全不同的能级结构世界，这两个世界之间应有着不可逾越的能级界面。如果夸克世界中也存在着智慧生物，也应由于此界面的存在，而对人类所处的世界不能认识和理解。

6 讨论与结论

经本文分析，粒子“砖块”结构应是相对而不是绝对的，一定宇宙演化阶段对应于一定的粒子“砖块”结构，“砖块”结构随宇宙演化而具有不断减小的趋势。以现演化的趋势，可推测，当物质能级与结构演化到一定阶段时，氦核也将成为超重核而发生自发裂变。终极意义上的宇宙演化是物质元能量［2］的完全释放，那时的宇宙物质将成为完全无内部结构的粒子，是名副其实的“一盘散沙”。由此意义上，现阶段宇宙物质不可能由完全无内部结构的粒子组成，但现轻子就是重子结构衰变的未来趋势。

当人工超高能研究方式介入到物质结构中后，就打破了现存物质能级与结构的平衡，干预了研究对象物质存在的客观基础。人工方式产生的高能粒子都是超自然的不稳定粒子，都将以衰变方式迅速回归其自然状态。由于物质能级与结构的同一性，不论人工能量能介入到物质结构哪个能级层次，都能找到与其能级相对应的质能转换粒子。

通过高能物理实验，我们发现了一些自然界并不存在的物质结构，我们并没有创造历史，而只不过是揭示和再现了物质的能级与结构过去曾经存在过的历史。当粒子对撞能级提升到更高级别时，就应能产生第四代、第五代夸克，及其相应的粒子。由此，建更高能量粒子对撞机的意义何在呢?但应肯定的是，粒子对撞是我们认识微观世界的重要途径。通过粒子对撞机，我们获得了对高能粒子及其内部结构及演化趋势的认识，完成了高能物理夸克理论的构建，这应是通过粒子对撞机认识物质世界的关键所在。

笔者以为，随演化阶段性和时序性展开的物质粒子结构，用“层子”表达应较贴切。“层子”反映了能级与结构演化的动态性及层次性特征。由夸克衰变模型的启示，是否可以从中子衰变粒子ddx中，找到未来夸克x呢?

夸克模型是否为宇宙的终极结构呢?笔者以为，宇宙随时间的演化，构成了物质能量的能级和结构的阶段性，正是这种随时间演化的“时”构成了夸克结构阶段性的“代”。由此，宇宙大爆炸初期，超高能状态的物质能级与结构的构成，与现阶段物质能级与结构的构成能一致吗?中间经历了多少代能级与结构的转换，或质的阶跃呢?如介子原子和介子核［10－11］结构，在过去是否为稳定性结构呢?随着宇宙的演化，夸克结构的“时代”也将发生更替。

物质存在着不同质的转换界面这已被证实。在高能物理研究中，人类对自然能量的利用和驾驭所进行的物质结构的探索，已远超物质结构的实际存在状态，“夸克幽禁”问题所提出的应是人类对自然物质能级与结构认识的极限问题。正如人不能自举，人类认识自然的基础是建立在自然存在基础上的，而“夸克幽禁”问题应涉及到了，人类对自然的超自然认识问题。人类关于自然的认识一定存在着一个不可逾越的超自然认识界面。夸克与核子层次能级的过渡，就带来了我们对于此的思考。

笔者以为，目前宇宙的演化还是处于较高能级阶段，能级与结构的对应及其演化是难以穷尽的，因此，有必要认真反思一下我们对于物质终极认识上的问题，高能物理研究思路上的问题，继续深入、巨资投入的高能物理研究是否物有所值?二十世纪以来，在高能物理研究方面，已经取得了很多的研究成果和经验，关于高能物理研究方向及理论瓶颈，以笔者看来，技术方面虽存在一些问题，但研究思路方面应存在着大的问题。

对于能级与结构的同一性，从“给个支点我可以撬动地球”的意义上，可以说:确定一种能级，就能够得到一类与其相应的结构!只要能级的演化没有完结，与其相应的结构的演化就不会完结。

只要物质结构中蕴藏的元能量没有完全释放的情况下［2］，物质结构随能级演化的层级构建就不会完结，物质就不可能完全由无内部结构的粒子组成。核素的自发衰变过程，是核素自然演化过程中，其深层次结构能从隐性到显性的自然释放过程。核素通过其内在的、隐性结构能的释放，源于其内在的、深层的夸克衰变，实现了核素从不稳定到稳定的自然转变。

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