5.9 Keluarga kuark

Laman Utama ／ Bab 5: Zarah mikroskopik

Ringkasan satu ayat:
Dalam gambaran intuitif Teori Gentian Tenaga (EFT), kuark bukanlah “titik” tetapi satu unit yang belum tertutup terdiri daripada teras gentian kecil dan “saluran warna” luaran. Untuk menutup imbangan tenaga keseluruhan, saluran ini mesti menyambung kepada yang lain; oleh itu hanya gabungan neutral warna yang kekal stabil, dan kuark terasing tidak dapat diasingkan pada skala makro.

I. Gambar fizikal minimum: teras gentian + saluran warna (tiga warna = tiga saluran boleh saling tukar)

• Teras gentian:
  Simpul lilitan yang sangat pendek dan sangat ketat pada satu gentian tenaga di dalam “lautan tenaga”. Teras ini menentukan dasar keraliti, sebahagian putaran (spin) dan kos kendiri (inersia berkesan). Perbezaan “rasa” (up, down, strange, charm, bottom, top) boleh difahami sebagai perbezaan tertib lilitan dan mod fasa.
• Saluran warna:
  Bukan tiub berongga bermateri dan bukan gentian kedua; ia ialah koridor pengurungan bertarikan tinggi yang “diaktifkan” dalam lautan tenaga oleh hujung warna teras gentian—iaitu laluan berimpedans lebih rendah. “Warna” merujuk kepada tiga saluran orientasi yang saling bebas tetapi boleh saling tukar.
  Orientasi pengurungan: Apabila satu gabungan memilih orientasi sehingga jumlah vektornya sifar (neutral warna), medan jauh “tertutup” dan struktur menjadi stabil.
• Panduan membaca:
  Saluran warna bukan dinding tiub bermateri; ia ialah jalur ruang yang ditarik daripada lautan tenaga oleh “tarikan–orientasi”. Gluon ialah paket gelombang fasa–tenaga yang bergerak sepanjang jalur ini—peristiwa pertukaran/persambungan semula setempat—bukan “bola kecil”.

II. Pengurungan yang dibendakan: mengapa tiada “kuark terasing”

Anggap dua kuark yang ditarik berjauhan dihubungkan oleh satu koridor bertarikan tinggi:

• Semakin jauh ditarik, semakin besar “bil”:
  Tarikan koridor hampir malar, maka tenaga meningkat hampir linear dengan jarak.
• Jalan keluar yang lebih “menjimatkan”:
  Apabila tarikan mencapai ambang, lautan tenaga akan tersambung semula di bahagian tengah dan memekarkan sepasang kuark–antikuark, memotong satu koridor panjang menjadi dua koridor pendek yang masing-masing menutup kepada meson.

Hasilnya: Eksperimen memerhati jet dan “hujan meson”, bukannya satu kuark tunggal yang ditarik keluar.

III. Cara hadron “disusun”: meson, barion dan penutupan bentuk-Y

• Meson (q + q̄):
  Satu saluran warna hampir lurus menyambung dua teras gentian; gabungan keseluruhan neutral warna.
• Barion (q + q + q):
  Tiga saluran warna menumpu pada satu simpul bentuk-Y di ruang (lebih cekap tenaga berbanding perimeter segi tiga). Tiga orientasi menjumlah kepada sifar, lalu keseluruhan tertutup.
• Pertukaran gluon:
  Paket gelombang fasa/aliran yang berlari dalam saluran mengangkut “tahap pendudukan” antara tiga cabang, kelihatan sebagai pertukaran warna.

IV. Intuisi tentang rasa (up, down, strange, charm, bottom, top): tertib lilitan dan hayat

• Tertib lilitan/mod lebih tinggi → kos pemekaran lebih besar → jisim berkesan lebih besar dan hayat lebih pendek → cenderung mereput ke mod lebih rendah.
• Kuark top sangat berat dan mereput amat pantas, sering tidak sempat ber-hadron (hadronize) dengan pasangan—selaras dengan pemerhatian.

V. Jisim, cas elektrik dan putaran: dari mana “akaun” datang

1. Jisim: dua lejar menjadi satu
   • Tenaga kendiri teras gentian (kelengkungan/putaran).
   • Tenaga tarikan koridor (tenaga “tersimpan” dalam saluran).
     Daripada sini, kenyataan “sebahagian besar jisim proton datang daripada interaksi kuat” menjadi nyata: bil tarikan dalam saluran halus mendominasi “jisim bogel” kuark.
2. Cas elektrik (mengapa gandaan 1/3):
   Penampilan elektromagnet datang daripada pengutuban berarah berhampiran teras gentian. Sebahagian “belanjawan arah” ini digunakan oleh saluran warna; apabila diproyeksikan kepada penampilan elektromagnet, unit pecahan sahaja yang tinggal: jenis up mengekalkan lebih banyak (+2/3), jenis down kurang (−1/3). Nilai berangka kekal set piawai (±1/3, ±2/3); di sini kita hanya memberi rasional dibendakan, bukan mengubah nombor.
3. Putaran (siapa menyumbang):
   Jumlahnya datang daripada putaran peringkat teras ditambah gelombang kilasan dan momentum sudut gluon dalam saluran. Setiap hadron membahagi “akaun” secara berbeza, memberikan pembacaan intuitif terhadap data penguraian putaran (putaran kuark cuma sebahagian).

VI. Gelagat rentas skala: “kebebasan asimptotik” di dekat, “ikatan kuat” di jauh

• Sangat dekat ( (Q^2) tinggi):
  Apabila teras saling mendekat, keratan rentas berkesan saluran melebar dan impedans menurun; pertukaran lebih menyerupai “terowong jalur lebar”, maka kuark tampak lebih bebas—ini ialah kebebasan asimptotik.
• Ditarik jauh ( (Q^2) rendah):
  Saluran menjadi semakin halus dan tegang; tenaga tumbuh hampir berkadar dengan jarak. Sistem cenderung putus lalu melahirkan pasangan, kemudian kembali kepada bentuk tertutup yang neutral warna—ini ialah pengurungan.

Inti pati: Kebebasan asimptotik dan pengurungan berkongsi lejar tenaga yang sama.

VII. Persilangan istilah dengan Model Piawai (jambatan bahasa, bukan pertelingkahan)

• Tiga warna ↔ tiga saluran orientasi yang terlihat secara geometri.
• Gluon ↔ paket gelombang fasa/aliran yang bergerak dalam saluran (ia “menghantar pendudukan”, bukan bola kecil).
• Pengurungan dan jet ↔ pertumbuhan tenaga linear dengan jarak + pemekaran pasangan didorong persambungan semula.
• Struktur dalaman hadron ↔ meson tertutup oleh “saluran lurus”; barion tertutup oleh simpul bentuk-Y.
• Jisim kebanyakannya daripada interaksi kuat ↔ tarikan saluran + tenaga kendiri teras gentian mendominasi.
• Cas pecahan ↔ unjuran elektromagnet selepas mengambil kira “pendudukan saluran warna” dalam pengutuban medan berhampiran.
• Kuark top tidak sempat ber-hadron ↔ masa pemekaran melebihi masa reput.

VIII. Syarat sempadan (ringkas | sejajar dengan data sedia ada)

• Serakan tidak anjal mendalam (Deep Inelastic Scattering, DIS) dan parton:
  Pada (Q^2) tinggi dan dalam serakan tidak anjal mendalam, gambaran ini menumpu kepada pandangan parton dan tidak mengubah fungsi taburan parton (Parton Distribution Functions, PDFs) atau gelagat penskalaan yang telah ditetapkan.
• Keseragaman elektromagnet:
  Nilai cas kekal pada ±1/3 dan ±2/3; faktor bentuk elektromagnet dan kebergantungan tenaga sejajar dengan ukuran.
• Spektroskopi dan peng-hadron-an:
  Spektrum resonans, topologi jet dan fungsi pemecahan berada dalam julat ketidakpastian; naratif “keupayaan linear—putus dan memekar pasangan” ialah bahasa visual semata-mata dan tidak boleh memperkenalkan puncak baharu yang tidak diperhati.
• Keabadian dan kestabilan dinamik:
  Warna, rasa, tenaga, momentum, momentum sudut dan nombor barion dipelihara dengan ketat; tiada “akibat mendahului sebab” atau gelinciran tak terkawal.
• Visualisasi ≠ nombor baharu:
  Semua istilah visual—saluran, paket gelombang, simpul bentuk-Y—hanyalah bantuan intuisi, bukan perubahan parameter atau padanan piawai.

IX. Rumusan satu baris

Kuark = teras gentian kecil + saluran warna. Saluran warna ialah koridor bertarikan tinggi yang ditarik daripada lautan tenaga untuk “mengunci” beberapa teras menjadi keseluruhan neutral warna; semakin anda menarik, semakin besar bil tenaga sehingga persambungan semula melahirkan pasangan dan sistem kembali kepada hadron tertutup. Maka kita memerhati jet dan hadron, bukannya kuark terasing; sementara jisim, putaran dan cas pecahan semuanya mendapat “tempat” yang jelas pada peta dibendakan yang sama ini.

X. Rajah

1. Unit kuark tunggal (teras gentian + saluran warna permulaan):

• Penekanan: Kuark tunggal ialah unit yang belum tertutup dan memerlukan dok saluran dengan yang lain untuk stabil.
• Kunci pembacaan: Cincin berganda = teras gentian; arka biru pucat = saluran warna; kuning = paket ala-gluon; kecerunan kelabu = lembangan cetek.
• Gluon: Satu paket gelombang berbentuk “kacang tanah” berwarna kuning diletakkan pada saluran, mewakili paket fasa–tenaga yang bergerak sepanjang saluran—peristiwa pertukaran/persambungan semula, bukan zarah sfera.
• Pendahulu fasa: Satu arka fasa biru pada teras (hujung ditebalkan) menandakan kuncian rentak fasa.
• Utama: Di kiri, cincin berganda kecil menandakan teras gentian (pusat kendiri yang mempunyai ketebalan). Satu arka biru pucat memanjang ke kanan sebagai saluran warna (jalur pengurungan bertarikan, bukan tiub bermateri).

2. Meson (q + q̄, penutupan “saluran lurus”):

• Penekanan: Meson ialah penutupan dua hujung melalui “saluran lurus”.
• Kunci pembacaan: Cincin berganda di dua hujung = teras q dan q̄; jalur biru pucat = saluran; paket kuning = pertukaran ala-gluon; tiada anak panah elektrik (neutral warna).
• Pendahulu fasa: Satu arka fasa biru pada setiap hujung. Letakkan paket kuning di pertengahan saluran untuk menunjukkan pertukaran warna.
• Utama: Dua teras di kiri dan kanan disambung oleh saluran warna yang hampir lurus; keseluruhan neutral warna.

3. Barion (lakaran; lihat §5.6 proton dan §5.7 neutron):
   Tiga kuark; tiga saluran warna bergabung pada simpul bentuk-Y di pusat. Lapisan lain (garis berganda teras, tanda fasa biru, kusyen peralihan, garis halus/gelung sepusat medan jauh) mengikut skema yang sama.