夸克

夸克（quark）是一種參與強相互作用的基本粒子。夸克結合形成一種複合粒子，叫強子。強子中最穩定的是質子和中子，它們是構成原子核的單元。由於一種所謂“夸克禁閉”的現象，夸克不能夠直接被觀測到，或是被分離出來，只能夠在強子裡面找到。因此，我們對夸克的認知大都是間接地來自對強子的觀測。

1964年，美國物理學家默里·蓋爾曼和G.茨威格分別獨立提出了“夸克”的概念，他們認為，中子、質子等強子由更基本的單元—夸克（Quark）構成。夸克具有分數電荷，為2/3或-1/3倍基本電荷，自旋為1/2；其空間尺度是微觀粒子中最小的，大約小於10的-19次方；它遵循“漸近自由”原理，即在能量尺度任意大，或距離尺度任意小時，相互作用會變得任意地弱。

為了能更好地梳理各種強子，默里·蓋爾曼與喬治·茨威格在模型中引入夸克這一概念，儘管當時尚沒有能夠證實夸克存在的充分證據。直到1968年，史丹佛線性加速器中心開發出了深度非彈性散射實驗，夸克的確存在這一結論才被證實。目前，六種味的夸克均已在加速器實驗中被觀測到。其中，最不穩定的頂夸克是最後被發現的，來自於1995年的費米實驗室。

詹姆斯·喬伊斯的小說《芬尼根的守靈夜》有這樣一段文字：“向麥克老人三呼夸克（Three quarks for Muster Mark）”。據說，夸克一詞便來源於此，寓意為：一個質子中有三個夸克。關於夸克一詞的由來，蓋爾曼在其著作《夸克與美洲豹》有詳述，這裡不再贅述。

茨威格最早用“埃斯”（Ace）來稱呼這種粒子，但夸克模型被廣泛接納后，蓋爾曼的命名—“夸克”就變得很有名。目前，也有一些中國學者稱夸克為“層子”或“虧子”，但並不普遍。

不同味的夸克命名也都是有依據的。譬如，上及下夸克的名稱分別源於它們同位旋的上、下分量；奇夸克是在宇宙射線的奇異粒子中被發現的，很“奇特”；粲夸克是因為在構建它的過程中，為亞原子世界帶來了“美妙”的對稱性。至於“頂”和“底”，哈拉里在命名時認為，它們是上及下夸克邏輯上的夥伴，故而得名。值得注意的是，過去，也有人將底、頂夸克稱為“美”及“真”夸克，但現在已經很少人這樣稱呼了。

1961年，蓋爾曼提出了一種粒子分類系統，叫“八重道”或SU(3)味對稱。同年，以色列物理學家尤瓦勒·內埃曼（Yuval Ne'eman）也獨立開發出一套與八重道相似的理論。

1964年，物理學家默里·蓋爾曼 和喬治·茨威格（GeorgeZweig）先後獨立提出了夸克模型。當時，人類已知的各種粒子中包括許多強子。蓋爾曼和茨威格認定，這些強子不是基本粒子，而是由夸克和反夸克組成。在他們的模型中，夸克有上、下及奇三種味，三種味的夸克電荷、自旋等性質各異。對於夸克的本質，當時學界存在很大的爭議。有人認為夸克是物理實體，而一些人則認為，它只是用來解釋當時未明物理的抽象概念而已。

不久，謝爾登·李·格拉肖和詹姆斯·布約肯（James Bjorken）預測有第四種夸克存在，他們把它命名為“魅”。

1968年，史丹佛線性加速器中心（SLAC）的深度非彈性散射實驗顯示，質子含有比自己小得多的點狀物，說明質子並非基本粒子。當時SLAC的物理學家把這些粒子稱作做“成子”（parton），後來被鑒定為上及下夸克。不過，“成子”一詞到現在還在使用，泛指重子構成物，即夸克、反夸克和膠子的總稱。

SLAC的散射實驗間接證實了奇夸克的存在，以及默里·蓋爾曼和G.茨威格三夸克模型的合理性，並成功解釋了1947年從宇宙射線中發現的K和π強子。

1971年，格拉肖、約翰·李爾普羅斯和盧奇亞諾·馬伊阿尼（LucianoMaiani）在一篇論文中提出了當時尚未發現的粲夸克，以及它存在的理據。

1973年，小林誠和益川敏英指出需再加一對夸克，就能解釋實驗中觀測到的CP破壞，於是夸克的味被提升到現時的六種。

1974年，粲夸克被兩個研究小組幾乎同時發現。他們分別是SLAC和布魯克黑文國家實驗室，其中後者由華裔科學家丁肇中領導，後來因此獲得了諾貝爾物理學獎。粲夸克均是在介子里觀測到的，與一個反粲夸克束縛在一起。後來，該粒子被正式命名為J/ψ介子。這個發現終於使物理學界相信夸克模型是正確的。

1975年，以色列物理學家哈伊姆·哈拉里（HaimHarari）在其論文中，提出了“頂”及“底”夸克的概念，建議把夸克數量增至六個。

1977年，利昂·萊德曼領導的費米實驗室研究小組觀測到了底夸克。直至1995年，底夸克的伴侶—頂夸克終於也被費米實驗室觀測到。它的質量比之前預料的要大得多，幾乎跟金原子相當。

夸克的種類被稱為“味”，已知的夸克有六種，即六味，它們分別是上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及頂（t）。夸克的反粒子叫反夸克，在對應的夸克符號上加一橫作為標記。反夸克跟對應的夸克有著相同的質量、平均壽命及自旋，但兩者的電荷及其他荷的正負則相反。所有夸克中，上及下夸克的質量最輕。奇、粲、底、頂等較重的夸克會通過粒子衰變，衍變為上或下夸克。粒子衰變是一個從高質量態變成低質量態的過程。作為衰變的產物，上及下夸克通常較穩定，廣泛存在於宇宙中，而奇、粲、底及頂較不穩定，只能通過宇宙射線及粒子加速器等高能粒子碰撞得到，且衰變速度很快。

夸克的自旋為2，根據自旋統計定理，它們是費米子。它們遵守泡利不相容原理，即兩個相同的費米子，不能同時擁有相同的量子態。這點跟玻色子相反（擁有整數自旋的粒子），在相同的量子態上，相同的玻色子沒有數量限制。跟輕子不同的是，夸克擁有色荷，因此它們會參與強相互作用。因為這種夸克間吸引力的關係，而形成的複合粒子，叫做“強子”。

強子中決定量子數的夸克叫“價夸克”；除了這些夸克，任何強子都可以含有無限量的虛（或“海”）夸克、反夸克，及不影響其量子數的膠子。

強子分兩種：帶三個價夸克的重子，及帶一個價夸克和一個反價夸克的介子。最常見的重子是質子和中子，它們是構成原子核的基礎材料。也已知道的強子種類很多，它們的不同點在於所含的夸克，及這些內含物所賦予的性質。而含有更多價夸克的“奇特重子”，如四夸克粒子（qqqq）及五夸克粒子（qqqqq），目前仍在理論階段，它們的存在仍未被證實。

基本費米子被分成三代，每一代由兩個輕子和兩個夸克組成。第一代有上及下夸克，第二代有奇及粲夸克，而第三代則有頂及底夸克。代數較高的粒子，一般會有較大的質量及較低的穩定性，它們會通過弱相互作用，衰變成代數較低的粒子。大自然中，只有第一代夸克（上及下）是常見的。較重的夸克只能通過高能碰撞來生成（例如宇宙射線），而且它們很快就會衰變。不過，有科學家認為，大爆炸早期會存在重夸克，那時宇宙處於高溫高密度狀態。目前，重夸克實驗研究都在粒子加速器等人工環境下進行。

同時擁有電荷、質量、色荷及味，夸克是唯一一種能經受現代物理全部四種相互作用的已知粒子，這四種作用為：電磁、引力、強相互作用及弱相互作用。對於個別粒子的相互作用而言，除非是在極端的能量（普朗克能量）及距離尺度（普朗克距離）下，引力實在是小得微不足道。然而，由於現時仍沒有成功的量子引力理論，所以標準模型並不描述引力。

夸克的電荷值為分數，具體為基本電荷的-1/3倍或+2/3倍，隨味而定。上、粲及頂夸克被通稱為“上型夸克”，電荷均為+2/3，而下、奇及底夸克被統稱作“下型夸克”，電荷為-1/3。反夸克與其所對應的夸克電荷相反；上型反夸克的電荷為-2/3，而下型反夸克的電荷則為+1/3。由於強子的電荷，為組成它的夸克的電荷總和，故所有強子的電荷均為整數：三個夸克的組合（重子）、三個反夸克（反重子），或一個夸克配一個反夸克（介子），加起來電荷值都是整數。例如，組成原子核的強子，中子和質子，其電荷分別為0及+1；中子由兩個下夸克和一個上夸克組成，而質子則由兩個上夸克和一個下夸克組成。

自旋是基本粒子的一種內在特性，旋轉方向是一項重要的自由度。自旋可以用矢量來代表，其長度用約化普朗克常數ħ來量度。量度夸克時，在任何軸上量度自旋的矢量分量，結果皆為+ħ/2或−ħ/2；因此夸克是一種自旋1/2的粒子。沿某一軸（慣例上為z軸）上的旋轉分量，一般用上箭頭↑來代表+1/2，下箭頭↓來代表-1/2，然後在後加上味的符號。例如，一自旋為+1/2的上夸克可被寫成u↑。

夸克能通過弱相互作用，由一種味轉變成另一種味。任何上型的夸克，都可以通過吸收或釋放一W玻色子，而變成下型的夸克，反之亦然。這種變味是導致β衰變放射過程的原因。在β衰變中，一中子（n）“分裂”成一質子（p）、一電子（e）及一反電子中微子（νe）。在β衰變發生時，中子（udd）內的一下夸克在釋放一虛W玻色子后，隨即衰變成一上夸克，於是中子就變成了質子（uud）。隨後W玻色子衰變成一電子及一反電子中微子。

β衰變及其逆過程“逆β過程”在醫學和高能實驗中都有應用，譬如正電子發射計算機斷層掃描、中微子探測等。

變味過程中，每一種夸克都偏向於變成跟自己同一代的另一夸克。這種相對趨勢可由一個數學表—卡比博-小林-益川矩陣（CKM矩陣）來描述。輕子也有一個類似的弱相互作用矩陣，叫龐蒂科夫-牧-中川-坂田矩陣（PMNS矩陣）。這兩個矩陣合起來能夠描述所有味變，但兩者間的關係至今尚不明朗。

夸克具有“色荷”性質。色荷共分三種，可任意標示為“藍”、“綠”及“紅”。三種對應的反色荷為“反藍”、“反綠”及“反紅”。每個夸克都帶一種色，而每個反夸克則帶一種反色。

三種色的不同組合決定著夸克間的吸引及排斥，即強相互作用，它是由一種叫膠子的規範玻色子所傳遞的。描述強相互作用的理論叫量子色動力學（QCD）。一個帶某色荷的夸克，可以和一個帶對應反色荷的反夸克，一起生成一束縛系統；三個（反）色荷各異的（反）夸克，也就是三種色每種一個，同樣也可以束縛在一起。兩個互相吸引的夸克會達至色中性：一夸克帶色荷ξ，加上一個帶色荷-ξ的反夸克，結合后色荷為零（或“白”色），成為一個介子。跟基本光學的顏色疊加一樣，把三個色荷互不相同的夸克或三個這樣的反夸克組合在一起，就會同樣地得到“白”的色荷，成為一個重子或反重子。

在現代粒子物理學中，聯繫粒子相互作用的，是一種叫規範對稱的空間對稱群。色荷SU(3)是夸克色荷的規範對稱，也是量子色動力學的定義對稱。物理學定律不受空間的方向（如x、y及z）所限，即使坐標軸旋轉到一個新方向，定律依然不變，量子色動力學的物理也一樣，不受三維色空間的方向影響，色空間的三個方向分別為藍、紅和綠。SU(3)的色變與色空間的“旋轉”相對應（數學上，色空間是複數空間）。每一種夸克味，f，下面都有三種小分類fB、fG和fR，對應三種夸克色藍、綠和紅，形成一個三重態：一股有三個分量的量子場，並且在變換時遵從SU(3)的基本表示。這個時候SU(3)應是局部的，這個要求換句話說，就是容許變換隨空間及時間而定，所以說這個局部表示決定了強相互作用的性質，尤其是有八種載力用膠子這一點。

夸克本身的質量被稱作“凈夸克質量”，凈夸克質量加上其周圍膠子場的質量被稱作“組夸克質量”，這兩個質量數值一般相差甚遠。一個強子中的大部份的質量，都屬於把夸克束縛起來的膠子，而不是夸克本身。儘管膠子的內在質量為零，它們擁有量子色動力學束縛能QCBE，它為強子提供了更多的質量。例如，一個質子的質量約為938MeV/C2，其中三個價夸克大概只有11MeV/c2；其餘大部份質量都可以歸咎於膠子的QCBE。

下表總結了六種夸克性質。每種夸克味都有自己的味量子數（同位旋（I3）、粲數（C）、奇異數（S）、頂數（T）及底數（B′）），它們代表著夸克系統及強子的一些特性。因為重子由三個夸克組成，所以所有夸克的重子數（B）均為+1/3。對於反夸克，電荷（Q）及其他味量子數（B、I3、C、S、T及B′）都跟夸克的差一個正負號。質量和總角動量（J；相等於點粒子的自旋）不會因為反粒子而變號。

夸克按其特性分為三代，如下表所示：

夸克味的性質

J=總角動量、B=重子數、Q=電荷、I3=同位旋,C=粲數、S=奇異數、T=頂數及B′=底數。*4,190+180-60，這樣的標記代表量測不確定度。

在五種夸克通過實驗發現之後，第六種夸克，即頂夸克(t)成為高能粒子物理學家的主攻方向之一。

1994年，“頂夸克”被發現，它使科學家得到了有關夸克子的完整圖像，對宇宙大爆炸之初的宇宙演化研究有重大意義，因為大爆炸最初產生的高熱，會產生大量頂夸克粒子。

研究顯示，有些恆星在演化末期可能會變成“夸克星”。當星體抵受不住自身的萬有引力不斷收縮時，密度大增會把夸克擠出來，最終一個太陽大小的星體可能會萎縮到只有七、八公里那麼大，但仍會發光。

夸克理論認為，夸克都是被囚禁在粒子內部的，不能單獨存在。一些人則認為夸克並非真實存在。然而夸克理論做出的幾乎所有預言都與實驗測量符合得很好，因此大部分研究者堅信夸克理論的正確性。

1997年，俄國物理學家戴阿科諾夫等人預測，存在一種由五個夸克組成的粒子，質量比氫原子大50%。2001年，日本物理學家在SP環-8加速器上用伽馬射線轟擊塑料時，發現了五夸克粒子存在的證據。隨後得到了美國托馬斯·傑裴遜國家加速器實驗室和莫斯科理論和實驗物理研究所的物理學家們的證實。這種五夸克粒子由2個上夸克、2個下夸克和一個反奇異夸克組成，它並不違背粒子物理的標準模型。這是首次發現多於3個夸克組成的粒子。研究人員認為，這種粒子可能僅是“五夸克”粒子家族中的一員，還有可能存在由4個或6個夸克組成的粒子。

此後，又有九個實驗組宣稱發現了五夸克粒子(penta-quark)的證據。但在其它較高能的實驗組及其數據中，譬如使用輕子對撞器的德國DESY的ZEUS實驗，以及日本KEK的Belle與美國SLAC的BaBar兩大B介子工廠實驗、以及使用強子對撞器的美國費米實驗室中的CDF與D實驗，都沒有觀測到應該存在的證據。因此，所謂的五夸克粒子是否存在，仍是一個極具爭論性的話題。

19世紀末，瑪麗·居里的研究表明，原子不是物質的最小粒子。很快科學家就發現了電子和質子。1932年，詹姆斯·查德威克又發現了中子。

20世紀30年代中期，粒子加速器的出現，使得科學家們能夠把中子和質子進一步“打碎”。

20世紀50年代，唐納德·格拉澤（Donald Glaser）發明了“氣泡室”，將亞原子粒子加速到接近光速，讓這些粒子碰撞質子（氫原子核），使質子分裂為一群陌生的新粒子。這些粒子從碰撞點擴散時，都會留下一個極其微小的氣泡，暴露了它們的蹤跡。但科學家無法看到粒子本身，只能看到這些氣泡的蹤跡。這讓科學家既驚奇又困惑，他們猜測著，這些亞原子粒子究竟是什麼？

默里·蓋爾曼1929年出生於曼哈頓，是個名副其實的神童，8歲時的智力抵得上大部分大學生。可是，在學校里他感到無聊，坐立不安，還患有急性寫作障礙。雖然完成論文和研究項目報告對他而言很簡單，他卻很少能完成。儘管如此，他還是順利地從耶魯大學本科畢業，先後在麻省理工學院、芝加哥大學、普林斯頓大學（為奧本海默）工作。

24歲時，他決定集中精力研究氣泡室圖像里的奇怪粒子。當時，通過氣泡室圖像，科學家可以估測每個粒子的大小、電荷、運動方向和速度，但是卻無法確定它們的身份。到1958年，有近100個名字被用來鑒別和描述這些探測到的新粒子。

默里·蓋爾曼認為，用幾種自然的基本概念，就可能弄清楚這些粒子。他先假定自然是簡單、對稱的。然後還假定像所有其他自然界中的物質和力一樣，這些亞原子粒子是質量、能量和電荷守恆的。

用這些理論作指導，他創造了一種新的測量方法，被稱作“奇異性（strangeness）”。這個詞是他從量子物理學引入的。奇異性可以測量到每個粒子的量子態。

蓋爾曼發現自己可以建立起質子分裂或者合成的簡單反應模式。但是有幾個模式似乎並不遵循守恆定律。之後他意識到如果質子和中子不是固態物質，而是由3個更小的粒子構成，那麼他就可以使所有的碰撞反應都遵循簡單的守恆定律了。

經過兩年的努力，蓋爾曼證明了這些更小的粒子肯定存在於質子和中子中。他將之命名為“k-works”，後來縮寫為“kworks”。之後不久，他在詹姆斯·喬伊斯（JamesJoyce）的小說中中讀到一句“三聲夸克（threequarks）”，於是將這種新粒子更名為夸克（quark）。與此同時，加利福尼亞理工學院(Caltech)的茨威格(G·Zweig)也獨立地提出了這一預言。

1967年至1973年期間，美國麻省理工學院(MIT)的傑羅姆·弗里德曼(JeromeFriedman)、享利·肯德爾(Henrykendall)和斯坦福直線加速器中心(SLAC)的理查德·泰勒(RichardTaylor)，在斯坦福(Stanford)利用當時最先進的二公里電子直線加速器就電子對質子和中子的深度非彈性散射開展了一系列開創性的實驗工作，榮獲1990年諾貝爾物理獎。這說明，人們在科學上最終承認了夸克的存在。

斯坦福直線加速器中心所做的實驗與盧瑟福(E·Rutherford)所做的驗證原子核式模型的實驗類似。正像盧瑟福由於大量α粒子的大角度散射現象的觀察，預言原子中有核存在一樣，斯坦福直線加速器中心由前所未料的大量電子的大角度散射現象，證實核子結構中有點狀組分。

事實上，在斯坦福直線加速器中心—麻省理工學院所做的實驗之前，沒有人能拿出令人信服的動力學實驗來證實質子和中子中有夸克存在，那個時期理論學家對強子理論中夸克所扮演的角色還不清楚。

1962年，斯坦福開始建造大的直線加速器，它的能量為10-20GeV，經過一系列改進后，能量可達到50GeV。兩年後，斯坦福直線加速器中心主任潘諾夫斯基(W·Panofsky)得到幾個年輕物理學家的支持，泰勒就是其中一員，並擔任了一個實驗小組的領導。不久弗里德曼和肯德爾也加入進來，他倆那時是麻省理工學院的教師，他們一直在5GeV的劍橋電子加速器上做電子散射實驗，這個加速器是一個回旋加速器，容量有限。但是斯坦福的加速器有20GeV能量，可以產生“超強的射線束、高的電流密度和外部射線束。加利福尼亞理工學院的一個小組也加入合作，他們的主要工作是比較電子—質子散射和正電子—質子散射。這樣，來自斯坦福直線加速器中心、麻省理工學院和加利福尼亞理工學院的科學家組成了一支龐大的研究隊伍。他們決定建造兩個能譜儀，一個是8GeV的大接受度能譜儀，另一個是20GeV的小接受度能譜儀。新設計的能譜儀和早期的能譜儀不同的地方是它們在水平方向用了直線一點聚焦。這種新設計能夠讓散射角在水平方向散開，而動量在垂直方向散開。

在那時，物理學的主流認為質子沒有點狀結構，他們預想大角度散射將會很少，而實驗結果出乎意料的大。這是一個驚人的發現，人們不知道它意味著什麼。在這種情況下，斯坦福直線加速器中心的理論家比約肯(J·Biorken)提出了標定無關性的思想。在得出標度無關性時，他用了許多并行的方法，其中最具有思辯性的是點狀結構。

1967年末至1968年初，深度非彈性散射的實驗數據已開始積累。當肯德爾把新的數據分析拿給比約肯看了以後，比約肯建議用標度無關變數ω來分析這些數據。按照舊方法描圖，數據很非常分散，但按比約肯的方法處理數據時，數據竟很好地集中起來。1968年8月，第十四屆國際高能物理會上，弗里德曼報告了實驗結果。

1968年8月，加利福尼亞理工學院的R·費因曼訪問斯坦福直線加速器中心時，看到了非彈性散射的數據和比約肯標度無關性。他認為部分子在高能相對論核子中是近似自由分佈的，也就是說結構函數與部分子的動量分佈是相關的。這是一個簡單的動力學模型，也是比約肯觀點的另一種說法。費因曼的工作大大刺激了理論工作，幾種新的理論出現了。費因曼根據夸克的要求，淘汰了一些假設。

一年以後，歐洲核子研究中心重液泡室的中微子非彈性散射，對斯坦福直線加速器中心的實驗結果給予了有力擴展。後來的μ子深度非彈性散射、電子—正電子碰撞、質子—反質子碰撞、強子噴注都顯示了夸克—夸克的相互作用。所有這些都有力地證明了強子的夸克結構。

夸克的點狀結構及其在強子中的強約束的矛盾，使得物理學界接受夸克用了好幾年的時間。事實上，夸克理論不能完全唯一地解釋實驗結果，獲得諾貝爾獎的實驗表明質子中還包含有電中性的結構，那就是此後不久發現的“膠子”。在質子和其它粒子中膠子把夸克膠合在了一起。

1973年，格洛斯、威耳茨克(F·Wilczek)和鮑里澤爾(H·D·Politzer)獨立地發現了非阿貝爾規範場的漸近自由理論。這種理論認為，如果夸克之間的相互作用是由色規範膠子引起的，夸克之間的耦合在短距離內呈對數減弱。這個理論後來被叫做量子色動力學，很好地解釋了斯坦福直線加速器中心的所有實驗結果。另外，漸近自由的反面，遠距離耦合強度的增加解釋了夸克禁閉的機制。

總之，斯坦福直線加速器中心的電子非彈性散射實驗顯示了夸克的點狀行為，成為量子色動力學的實驗基礎。

1967年，溫伯格和薩拉姆分別獨立地得到了弱電統一的規範理論，1970年為把夸克弱作用引入該模型，格拉肖等人改進了由卡比伯所引入的在經典四費米弱作用中使用的方法，引入了粲夸克，並在1974年被證實需要引入。1973年，日本物理學家小林誠（MakotoKobayashi），益川敏英（ToshihideMaskawa），為解釋弱作用中時間反演的破壞，引入了第三代夸克，並被實驗證實，獲得了2007年的諾貝爾物理學獎。