夸克（quark）是物質(zhì)性的基本粒子，是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元。在粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型中，它是唯一一種能經(jīng)受引力、電磁、強(qiáng)相互作用和弱相互作用四種基本力的基本粒子，也是唯一一種已知基本電荷為非整數(shù)的粒子。夸克具有分?jǐn)?shù)電荷、質(zhì)量和自旋等各種固有屬性。在圖像化時(shí)，有時(shí)它會(huì)被視為一個(gè)沿著自己的中軸轉(zhuǎn)動(dòng)的物體（所以名叫“自旋”）。但是由于科學(xué)家們認(rèn)為基本粒子應(yīng)是點(diǎn)粒子，所以上述這個(gè)看法有一定的誤導(dǎo)性。自旋可以用矢量來代表，其長度可用約化普朗克常數(shù)?來量度。因此根據(jù)自旋統(tǒng)計(jì)定理，它們是費(fèi)米子，遵守泡利不相容原理，即兩個(gè)相同的費(fèi)米子不能同時(shí)擁有相同的量子態(tài)。這一點(diǎn)跟玻色子相反（擁有整數(shù)自旋的粒子），在相同的量子態(tài)上相同的玻色子沒有數(shù)量限制。跟輕子不同的是，夸克擁有色荷，因此它們會(huì)參與強(qiáng)相互作用。它們具有分?jǐn)?shù)電荷，是基本電量的+2/3或-1/3倍，自旋為1/2。其空間尺度是微觀粒子中最小的，大約小于10的-19次方米。由于一種叫‘夸克禁閉’的現(xiàn)象，夸克不能夠直接被觀測到，或是被分離出來，只能夠在強(qiáng)子里面找到。這些由夸克組成的強(qiáng)子，依據(jù)自旋性質(zhì)可分為兩類：自旋為半奇數(shù)的重子和自旋為整數(shù)的介子。
夸克有6種類型，被稱為"味道"（Flavor，基本粒子的一種量子數(shù)），包括：上夸克（up quark，u）、下夸克（down quark，d）、奇異夸克（strange quark，s）、粲夸克（charm quark，c）、底夸克（bottom quark，b）和頂夸克（Top quark，t）。夸克的每一種味都有一種對應(yīng)的反夸克，反夸克與夸克的不同之處只在于它的一些特性跟夸克大小一樣但符號(hào)不同，正負(fù)不同。在這6種夸克當(dāng)中，質(zhì)量最小的是上夸克和下夸克。粒子衰變是一個(gè)從高質(zhì)量態(tài)變成低質(zhì)量態(tài)的過程。由于較重的夸克會(huì)通過粒子衰變迅速轉(zhuǎn)變?yōu)樯峡淇嘶蛳驴淇耍虼松峡淇撕拖驴淇送ǔＪ欠€(wěn)定的，并且在宇宙中常見。而其他夸克只有通過高能物理實(shí)驗(yàn)來發(fā)現(xiàn)可能包含它們的束縛態(tài)粒子。
夸克互相結(jié)合，形成一種復(fù)合粒子，叫強(qiáng)子，強(qiáng)子中最穩(wěn)定的是質(zhì)子和中子，它們是構(gòu)成原子核的單元。因此夸克只能作為強(qiáng)子的組分存在于強(qiáng)子內(nèi)部，它們本身沒有單獨(dú)存在的自由。除了這些價(jià)夸克，任何強(qiáng)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(shù)的膠子。夸克不能直接被觀測到，也不能被分離出來，只能在強(qiáng)子里面找到。這種現(xiàn)象叫作“夸克禁閉”。
1964年，美國物理學(xué)家邁克爾·蓋爾曼（Michael Gell-Mann，1929-2019）和茲韋格（George Zweig，1937-）分別獨(dú)立提出夸克模型。然而比約肯根據(jù)這種暗示，結(jié)合雷吉極點(diǎn)等其它一些使求和規(guī)則收斂的強(qiáng)相互作用概念，自然地得出了結(jié)構(gòu)函數(shù)標(biāo)定無關(guān)性。標(biāo)定無關(guān)性提出后，很多人不相信。正如弗里德曼所說：“這些觀點(diǎn)提出來了，我們并不完全確認(rèn)。他是一個(gè)年輕人，我們感到他的想法是驚人的。我們預(yù)料看不到點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)，他說的只是一大堆廢話。”上世紀(jì)5、60年代實(shí)驗(yàn)上觀測到200多個(gè)強(qiáng)子。因此，探索如此大數(shù)目強(qiáng)子可能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并建立它們的‘元素周期表’成為當(dāng)時(shí)粒子物理學(xué)家思考的問題。他們認(rèn)為強(qiáng)子是由更基本的單元——夸克組成的，夸克有三種，即上夸克、下夸克和奇異夸克。直到1968年，美國斯坦福直線加速器中心—麻省理工學(xué)院合作組通過動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了夸克的存在，并在普通物質(zhì)或宇宙線中發(fā)現(xiàn)了能夠證明上夸克、下夸克和奇異夸克存在的首個(gè)令人信服的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。1974年，美國華裔科學(xué)家丁肇中與美國科學(xué)家瑞奇特分別在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一種新粒子，稱為J/y粒子。由于J/y粒子是粲夸克與其反粒子組成的束縛態(tài)粒子，可直接證實(shí)粲[càn]夸克的存在。1977年，美國物理學(xué)家萊德曼通過發(fā)現(xiàn)新粒子而發(fā)現(xiàn)第五種夸克—底夸克，隨后在正負(fù)電子對撞機(jī)上，得到了證實(shí)。在1994-1995年，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)并證實(shí)了頂夸克的存在。
分類
基本粒子的標(biāo)準(zhǔn)模型是描述組成物質(zhì)世界的基本粒子以及它們之間的相互作用(引力除外)的理論。標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為物質(zhì)都是由基本粒子組成的，基本粒子分成兩類，稱為夸克和輕子。如下圖所示。
在這個(gè)模型中，夸克有6種類型，被稱為"味道"，包括：上夸克（u）、下夸克（d）、奇異夸克（s）、粲夸克（c）、底夸克（b）和頂夸克（t），這些夸克被分為三代。第一代夸克包含上夸克和下夸克，是構(gòu)成可見物質(zhì)原子核中質(zhì)子和中子的主要成分。具體而言，質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成，中子則由一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克組成。第二代的夸克包括奇夸克和粲夸克，它們可以在高能環(huán)境中（如在宇宙線或人造粒子加速器產(chǎn)生的粒子碰撞中）找到。第三代的夸克包括頂夸克和底夸克，這兩種夸克可在超高能的粒子加速器實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生，不存在于我們周圍的環(huán)境中。
性質(zhì)
夸克具有分?jǐn)?shù)電荷Q(以|e|為單位)，電荷值為分?jǐn)?shù)—基本電荷的+2?3倍或-1?3倍，隨味而定。上夸克、粲夸克和頂夸克又稱為“上型夸克”，具有2/3的電子電量；下夸克、奇夸克和底夸克又稱為“下型夸克”，則具有-1/3的電子電量。反夸克與其所對應(yīng)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。自旋是基本粒子的基本性質(zhì)之一，是內(nèi)稟運(yùn)動(dòng)量子數(shù)的簡稱，夸克的自旋都是1/2。根據(jù)自旋統(tǒng)計(jì)定理，它們是費(fèi)米子，遵守泡利不相容原理，即兩個(gè)相同的費(fèi)米子不能同時(shí)擁有相同的量子態(tài)。夸克的質(zhì)量如下圖所示。
其中上夸克質(zhì)量約為1.7至3.3 MeV/c2，下夸克質(zhì)量約為4.1至5.8 MeV/c2，粲夸克質(zhì)量: 1,270+70?90（MeV/c2），奇夸克質(zhì)量: 101+29?21（MeV/c2），底夸克質(zhì)量: 4,190+180?60（MeV/c2），頂夸克質(zhì)量: 172,000±900 ±1,300（MeV/c2）。
每個(gè)夸克都有“色荷”作為其內(nèi)稟性質(zhì)，即夸克也有“顏色”的區(qū)別，每種“味”的夸克有“藍(lán)”、“紅”和“綠”三種顏色，反夸克與夸克顏色相反，即反紅、反藍(lán)和反綠。正是因?yàn)榭淇藥鑼懣淇酥g相互作用的動(dòng)力學(xué)叫量子色動(dòng)力學(xué)(QCD)。不同顏色的夸克靠膠子結(jié)合在一起。膠子是微觀粒子之間色相互作用的媒介粒子。夸克之間會(huì)通過交換膠子的方式發(fā)生強(qiáng)相互作用，膠子之間也會(huì)發(fā)生強(qiáng)相互作用。
重子數(shù)是粒子物理中的一個(gè)量子數(shù)，用B表示，在重子參加的過程中，反應(yīng)前各粒子的重子數(shù)B的代數(shù)和同反應(yīng)后各粒子的重子數(shù)B的代數(shù)和相等，即重子數(shù)守恒。夸克的重子數(shù)為1/3，反夸克的重子數(shù)為-1/3。每一種夸克都有對應(yīng)的反夸克，其電荷、同位旋等量數(shù)與對應(yīng)夸克相反。
發(fā)現(xiàn)歷史
1961年，美國物理學(xué)家默里·蓋爾曼（Michael Gell-Mann，1929-2019）和以色列物理學(xué)家內(nèi)曼（Yuval Neemann，1925-2006）各自獨(dú)立地提出了強(qiáng)作用對稱性的理論——八重態(tài)（eightfold way），即把性質(zhì)相近的強(qiáng)作用基本粒子分成一個(gè)個(gè)的族，并認(rèn)為每個(gè)族成員應(yīng)有8個(gè)。八重態(tài)將已知的全部基本粒子歸類，尚未發(fā)現(xiàn)粒子的性質(zhì)可以根據(jù)已知粒子的特性進(jìn)行推導(dǎo)。
1964年，默里·蓋爾曼和茲韋格在八重法的基礎(chǔ)上分別提出了最初的夸克模型，認(rèn)為中子、質(zhì)子這一類強(qiáng)子是由更基本的單元——夸克組成的，夸克有三種，即上夸克、下夸克和奇異夸克。用上、下和奇這三種夸克及其反粒子就可以解釋當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子并且預(yù)言了Ω并很快被實(shí)驗(yàn)所觀測到。物理學(xué)家當(dāng)時(shí)并不愿意把這些物體視為夸克，反而叫它們做“部分子”（parton）—一個(gè)由理查德·費(fèi)曼（Richard Phillips Feynman）所創(chuàng)造的新詞。在夸克模型中，夸克帶有分?jǐn)?shù)電荷，靠交換膠子結(jié)合，不可能單獨(dú)被觀測到。“夸克”一詞是蓋爾曼從詹姆斯·喬伊斯的小說《芬尼根的守靈夜》(Finnegan's Wake)中的詩句改編而來的。夸克在該書中具有多種含義，其一是一種海鳥的叫聲。蓋爾曼認(rèn)為，這適合他最初認(rèn)為“基本粒子不基本、基本電荷非整數(shù)”的奇特想法，同時(shí)他也指出這只是一個(gè)笑話，是對矯飾的科學(xué)語言的反抗。另外，也可能是出于他對鳥類的喜愛。蓋爾曼原本想用鴨的叫聲來命名夸克。直到1968年，美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）驗(yàn)證了夸克的存在。為此，物理學(xué)家杰羅姆·弗里德曼（Jerome Friedman）、亨利·肯德爾（Henry Kendall）和查德·泰勒（Richard Taylor）三人分享了1990年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。早在1968年，加州理工學(xué)院的費(fèi)曼已經(jīng)想到強(qiáng)子是由更小的“部分子”組成的。同年8月他訪問斯坦福直線加速器中心時(shí)，看到了非彈性散射的數(shù)據(jù)和比約肯標(biāo)度無關(guān)性。默里·蓋爾曼因發(fā)現(xiàn)夸克而獲得1969年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
1974年，美國華裔科學(xué)家丁肇中（Samuel Chao Chung Ting，1936-）與美國科學(xué)家瑞奇特（Burton Richter，1931-）分別在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一種長壽命大質(zhì)量的新粒子，稱為J/y粒子。由于J/y粒子是粲夸克與其反粒子組成的束縛態(tài)粒子，可直接證實(shí)粲夸克的存在。為此，丁肇中與瑞奇特一起分享了1976年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
1977年，美國物理學(xué)家萊德曼（Leon M. Lederman，1922-）發(fā)現(xiàn)了一種長壽命的新粒子，只能引入第五種夸克——取名為“美”（Beauty）或“底”（Bottom），用字母b代表；以前，頂夸克有時(shí)也會(huì)被叫作“真”夸克（用字母t代表），但這兩個(gè)名字（“美”和“真”）已經(jīng)很少人會(huì)用了。后來在正負(fù)電子對撞機(jī)上做實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)了該粒子的存在，該粒子是由新的一味夸克——底夸克組成。
這是一個(gè)代表頂夸克存在的有力征兆：沒有頂夸克的話，底夸克就沒有伴侶。1994年，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的CDF組在質(zhì)子-反質(zhì)子對撞機(jī)上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)最重的夸克—頂夸克（top），用字母t代表。1995年，CDF組尋找更多證據(jù)的同時(shí)，同實(shí)驗(yàn)室的另一實(shí)驗(yàn)小組用不同的方法找到了由頂夸克衰變?yōu)榈卓淇撕蚖玻色子的事例，兩組實(shí)驗(yàn)相互得到了印證，證實(shí)了頂夸克的存在。
1964年，美國科學(xué)家格林伯格（Oscar Wallace Greenberg）引入了夸克的一種自由度——“顏色”（color）的概念，是一種量子數(shù)的代名詞，每味夸克下面都有三種小分類fB、fG和fR，對應(yīng)三種顏色分別是藍(lán)、綠和紅。夸克的種類由原來的6種擴(kuò)展到18種，再加上與它們對應(yīng)的18種反夸克，自然界一共有36種夸克。
研究進(jìn)展
Λ超子的整體極化效應(yīng)是夸克研究領(lǐng)域的一個(gè)新的熱點(diǎn)。2017年，在美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的相對論重離子對撞機(jī)(relativistic heavy ioncollider，RHIC)上，STAR (solenoidal tracker at RHIC)實(shí)驗(yàn)組首先觀測到了Λ超子的整體極化效應(yīng)，結(jié)果顯示相對論重離子碰撞中產(chǎn)生的Λ超子是沿著反應(yīng)面法線方向的反方向極化的。這一結(jié)果引發(fā)了相關(guān)問題的大量后續(xù)理論與實(shí)驗(yàn)研究，使自旋物理以及由此衍生的手征與電磁場效應(yīng)成為當(dāng)前重離子碰撞物理領(lǐng)域的新方向。
夸克-膠子等離子體的研究也是夸克領(lǐng)域的成果之一。在宇宙大爆炸的初期，在極端高溫和高密的環(huán)境中，夸克不是被囚禁在中子、質(zhì)子等強(qiáng)子中，而是以新的物質(zhì)形態(tài)—夸克一膠子等離子體，在較大的尺度內(nèi)自由自在、無拘無束地運(yùn)動(dòng)。夸克-膠子等離子體的研究可以幫助人類了解宇宙早期的條件，通過模擬和實(shí)驗(yàn)觀測夸克膠子等離子體，科學(xué)家們可以推斷宇宙演化的過程。夸克-膠子等離子體也與高能物理現(xiàn)象有關(guān)，通過研究高能重離子碰撞中的實(shí)驗(yàn)特征，科學(xué)家可以探索粒子間相互作用和強(qiáng)相互作用的基本規(guī)律。夸克-膠子等離子體的研究已經(jīng)成為高能物理和宇宙學(xué)領(lǐng)域的重點(diǎn)之一。
研究意義
研究夸克之間的相互作用和性質(zhì)，可以深入了解微觀粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)化規(guī)律。這對基礎(chǔ)物理學(xué)的發(fā)展起到了重要推動(dòng)作用。夸克研究的重大突破代表著當(dāng)今世界最高水平的科學(xué)研究成果。因?yàn)槿祟悓ξ⒂^世界的認(rèn)識(shí)必須依賴實(shí)驗(yàn)手段的進(jìn)步而不斷深入，粒子加速器、探測手段、數(shù)據(jù)記錄和處理以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，除了推動(dòng)粒子物理本身的深入研究，還促進(jìn)了其他科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。同時(shí)，夸克的研究還促進(jìn)了天體物理學(xué)與宇宙學(xué)的發(fā)展，通過揭示宇宙演化過程中從微觀到宏觀的相互滲透轉(zhuǎn)化的邏輯進(jìn)程，夸克研究為我們更好地理解宇宙的形成與演化提供了重要線索。此外，夸克研究也對哲學(xué)關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)做出了重要貢獻(xiàn)，豐富和發(fā)展了辯證唯物主義的物質(zhì)觀與自然觀。夸克的發(fā)現(xiàn)和研究向我們展示了人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的不斷深化和無止境的探索過程。總而言之，夸克研究在微觀粒子物理學(xué)、天體物理學(xué)、哲學(xué)等領(lǐng)域都具有重大意義。
參考資料 >
粒子物理新發(fā)現(xiàn)頻出標(biāo)準(zhǔn)模型能否“守擂”成功.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)主站.2023-08-01
夸克模型.中國科學(xué)院.2023-07-02