2025年大學(xué)《核物理》專業(yè)題庫——強(qiáng)子-強(qiáng)子相互作用研究考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.下列粒子中，不屬于強(qiáng)子的是？A.質(zhì)子B.中子C.中微子D.π介子2.強(qiáng)相互作用的主要特征不包括？A.電荷守恒B.宇稱守恒C.粒子數(shù)守恒D.漸近自由3.質(zhì)子由哪三種夸克組成？A.上夸克、下夸克、上夸克B.上夸克、下夸克、奇夸克C.粲夸克、底夸克、頂夸克D.上夸克、下夸克、粲夸克4.量子色動(dòng)力學(xué)（QCD）的基本作用粒子是？A.光子B.膠子C.W和Z玻色子D.中微子5.“夸克禁閉”現(xiàn)象意味著？A.夸克不能單獨(dú)存在B.夸克質(zhì)量非常小C.夸克帶分?jǐn)?shù)電荷D.夸克之間的相互作用很弱二、填空題6.根據(jù)夸克模型，π介子是由______和______組成的。7.強(qiáng)相互作用的理論基礎(chǔ)是______，它是一種______規(guī)范理論。8.強(qiáng)子根據(jù)其自旋可分為______子和______子。9.實(shí)驗(yàn)上，通過______實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了噴注現(xiàn)象，這是強(qiáng)相互作用具有______的證據(jù)。10.夸克之間的強(qiáng)相互作用是通過交換______來傳遞的。三、簡(jiǎn)答題11.簡(jiǎn)述強(qiáng)相互作用與電磁相互作用的主要區(qū)別。12.解釋什么是漸近自由現(xiàn)象，并簡(jiǎn)述其物理意義。13.簡(jiǎn)要介紹深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)及其對(duì)強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的啟示。四、計(jì)算題14.一個(gè)由兩個(gè)粲夸克（c夸克，電荷為2/3e；反粲夸克c?夸克，電荷為-2/3e）組成的重子，假設(shè)其總自旋為S=1，總宇稱為+1。請(qǐng)寫出該重子可能存在的量子態(tài)的量子數(shù)組合（至少列出兩種）。(假設(shè)不考慮其他內(nèi)部自由度，僅考慮粲夸克的貢獻(xiàn))試卷答案1.C2.B3.A4.B5.A6.上夸克，反下夸克(或u,d?)7.量子色動(dòng)力學(xué)(QCD)，非阿貝爾(或非阿貝爾性)8.重子，介子9.深度非彈性散射(或DeepInelasticScattering)，短程性(或非長(zhǎng)程性)10.膠子11.解析思路：*強(qiáng)相互作用是短程力，力程極短（約1飛米），主要通過交換膠子傳遞。*強(qiáng)相互作用具有電荷依賴性（與電磁作用不同，電磁力與電荷的平方成反比）。*強(qiáng)相互作用存在色禁閉現(xiàn)象，自由夸克無法存在。*強(qiáng)相互作用具有漸近自由特性，在能量極高時(shí)相互作用減弱。*強(qiáng)相互作用遵守宇稱不守恒（如π介子衰變）。*強(qiáng)相互作用參與強(qiáng)子形成，是構(gòu)成原子核的基礎(chǔ)；電磁作用則主要影響原子和分子的結(jié)構(gòu)。12.解析思路：*漸近自由是指夸克和膠子之間的強(qiáng)相互作用強(qiáng)度隨著能量升高而減弱的現(xiàn)象。*在能量很高時(shí)，夸克間的距離變小，自旋方向接近平行，根據(jù)QCD理論，自旋平行時(shí)相互作用項(xiàng)的系數(shù)為負(fù)，導(dǎo)致相互作用減弱。*這意味著在高能碰撞中，夸克表現(xiàn)得像基本粒子一樣，可以相對(duì)自由地運(yùn)動(dòng)，容易分離。*漸近自由是QCD理論的一個(gè)重要預(yù)言，并被實(shí)驗(yàn)（如深度非彈性散射）所證實(shí)。*其物理意義在于解釋了夸克為何不能單獨(dú)被探測(cè)到（禁閉），以及高能粒子碰撞中噴注現(xiàn)象的形成機(jī)制。13.解析思路：*深度非彈性散射是指高能電子（或光子）轟擊質(zhì)子或其他重核，電子進(jìn)入核內(nèi)極深處，與內(nèi)部夸克-膠子海洋發(fā)生強(qiáng)烈相互作用的過程。*實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在高能下，電子主要散射到與入射電子方向非常接近的角度，并且散射角度的反平方正比于電子動(dòng)能的函數(shù)在核子尺寸處有一個(gè)奇異點(diǎn)（結(jié)構(gòu)函數(shù)的奇異行為）。*這表明電子并非直接打到一個(gè)點(diǎn)粒子（質(zhì)子），而是打到了一個(gè)由大量點(diǎn)狀成分（夸克和膠子）組成的“湯”。*實(shí)驗(yàn)結(jié)果還揭示了核子中存在一個(gè)“sea”夸克-膠子成分和一個(gè)由三個(gè)valence夸克組成的“核子核心”。*這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)有力地證明了夸克模型的正確性，并提供了研究夸克和膠子性質(zhì)的窗口。14.解析思路：*根據(jù)夸克模型，該重子由一個(gè)u夸克和一個(gè)c夸克組成。其總自旋S=1，總宇稱為+1。需要考慮它們的總動(dòng)量守恒和總自旋構(gòu)型。*夸克u的電荷為+2/3e，反粲夸克c?的電荷為-2/3e。兩者電荷代數(shù)和為0。如果考慮第三種夸克（可能是反夸克或另一種夸克）來滿足宇稱和總自旋，其電荷也必須是+2/3e（例如，反上夸克d?）。*考慮自旋S=1的三夸克系統(tǒng)（u,c?,d?）：*總自旋為1的態(tài)對(duì)應(yīng)于對(duì)稱的斯萊特行列式構(gòu)型（三夸克自旋平行或兩自旋平行一自旋反平行）。*總宇稱為+1要求夸克的總電荷為+1。u電荷+2/3e,c?電荷-2/3e,d?電荷-1/3e。電荷和為(2/3)-(2/3)-(1/3)=-1/3。此組合宇稱為-1，不符合要求。*總宇稱為+1要求夸克的總電荷為+1。u電荷+2/3e,c?電荷-2/3e,需要一個(gè)電荷為+1的夸克，但不存在電荷為+1的基本粒子夸克。*因此，僅由u和c?組成的S=1的重子，其總宇稱為0或+1。可能的量子態(tài)需要進(jìn)一步考慮宇稱。*考慮自旋S=1的u,c?系統(tǒng)：*自旋部分波函數(shù)有三種：|↑↑↓?,|↑↓↑?,|↓↑↑?。*宇稱由夸克的宇稱和自旋宇稱決定。粲夸克和反粲夸克宇稱為-1。u夸克宇稱為+1。兩粒子系統(tǒng)的宇稱是它們的乘積。*對(duì)于|↑↑↓?構(gòu)型：自旋宇稱為+1。宇稱P=(+1)*(-1)*(+1)=-1。*對(duì)于|↑↓↑?構(gòu)型：自旋宇稱為+1。宇稱P=(+1)*(-1)*(+1)=-1。*對(duì)于|↓↑↑?構(gòu)型：自旋宇稱為+1。宇稱P=(-1)*(-1)*(+1)=+1。*因此，總自旋S=1，總宇稱為+1的量子態(tài)對(duì)應(yīng)于自旋宇稱為+1，總宇稱為-1的態(tài)（|↑↑↓?和|↑↓↑?）和自旋宇稱為+1，總宇稱為+1的態(tài)（