夸克

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夸克
图中有三个颜色球（代表夸克），每一对都有弹簧（代表胶子）连接着，而它们都在一个灰色旳圆圈内（代表质子）。球的颜色分别为红、绿及蓝，跟每个夸克的色荷一致。红色及蓝色球上标着“u”（代表上夸克），而绿色球则标着“d”（代表下夸克）。各夸克的颜色分配并不重要，重要的是所有三种颜色都在。
由二个上夸克及一个下夸克所构成的质子
组成基本粒子
系费米子
代第一代、第二代及第三代
基本相互作用电磁力、重力、强及弱
符号q
反粒子反夸克 (q)
理论默里·盖尔曼 (1964年)
乔治·茨威格 (1964年)
发现斯坦福线性加速器中心
(约1968年)
类型6种
（上、下、粲、奇、顶及底）
电荷+2⁄3 e, −1⁄3 e
色荷有
自旋1⁄2
CAS号12585-73-8  ✓

夸克（英语：quark）意译为层子[1]，是一种基本粒子，也是构成物质的基本单元。夸克互相结合，形成一种复合粒子，叫强子，强子中最稳定的是质子和中子，它们是构成原子核的单元[2]。由于一种叫“夸克禁闭”的现象，夸克不能够直接被观测到，或是被分离出来；只能够在强子里面找到夸克[3][4]。因为这个原因，人类对夸克的所知大都是来自对强子的观测。

夸克有六种“味”，分别是上、下、粲、奇、底及顶[5]。上及下夸克的质量是所有夸克中最低的。较重的夸克会通过一个叫粒子衰变的过程，来迅速地变成上或下夸克。粒子衰变是一个从高质量态变成低质量态的过程。就是因为这个原因，上及下夸克一般来说很稳定，所以它们在宇宙中很常见，而奇、粲、顶及底则只能经由高能粒子的碰撞产生（例如宇宙射线及粒子加速器）。

夸克有着多种不同的内在特性，包括电荷、色荷、自旋及质量等。在标准模型中，夸克是唯一一种能经受全部四种基本相互作用的基本粒子，基本相互作用有时会被称为“基本力”（电磁相互作用力、万有引力、强相互作用力及弱相互作用力）。夸克同时是现时已知唯一一种基本电荷非整数的粒子。夸克每一种味都有一种对应的反粒子，叫反夸克，它跟夸克的不同之处，只在于它的一些特性跟夸克大小一样但正负不同。

夸克模型分别由默里·盖尔曼与乔治·茨威格于1964年独立地提出[6]。引入夸克这一概念，是为了能更好地整理各种强子，而当时并没有什么能证实夸克存在的物理证据，直到1968年SLAC开发出深度非弹性散射实验为止[7][8]。夸克的六种味已经全部被加速器实验所观测到；而于1995年在费米实验室被观测到的顶夸克，是最后发现的一种[6]。

分类

参见：标准模型
标准模型中的粒子有六种是夸克（图中用紫色表示）。左边的三行中，每一行构成物质的一代。

标准模型是描述所有已知基本粒子的理论框架[9]。此模型包含六种味的夸克（q）：上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及顶（t）[5]。夸克的反粒子叫反夸克，在对应的夸克符号上加一横作为标记，例如u代表反上夸克。跟一般反物质一样，反夸克跟对应的夸克有着相同的质量、平均寿命及自旋，但两者的电荷及其他荷的正负则相反[10]。

夸克的自旋为1⁄2，因此根据自旋统计定理，它们是费米子。它们遵守泡利不相容原理，即两个相同的费米子，不能同时拥有相同的量子态。这点跟玻色子相反（拥有整数自旋的粒子），在相同的量子态上，相同的玻色子没有数量限制[11]。跟轻子不同的是，夸克拥有色荷，因此它们会参与强相互作用。因为这种夸克间吸引力的关系，而形成的复合粒子，叫做“强子”（见下文强相互作用与色荷部分）。

在强子中决定量子数的夸克叫“价夸克”；除了这些夸克，任何强子都可以含有无限量的虚（或“海”）夸克、反夸克，及不影响其量子数的胶子[12]。强子分两种：带三个价夸克的重子，及带一个价夸克和一个反价夸克的介子[13]。最常见的重子是质子和中子，它们是构成原子核的基础材料[14]。我们已经知道有很多不同的强子（见重子列表及介子列表），它们的不同点在于其所含的夸克，及这些内含物所赋予的性质。而含有更多价夸克的“奇异”强子，如四夸克粒子（qqqq）及五夸克粒子（qqqqq），目前仍在理论阶段[15]，它们的存在仍未被证实[注 1][15][16]。

基本费米子被分成三代，每一代由两个轻子和两个夸克组成。第一代有上及下夸克，第二代有奇及粲夸克，而第三代则有顶及底夸克。过去所有搜寻第四代基本粒子的研究均以失败告终[17]，又有有力的间接证据支持不会有超过三代[注 2][18]。代数较高的粒子，一般会有较大的质量及较低的稳定性，于是它们会通过弱相互作用，衰变成代数较低的粒子。在自然中，只有第一代夸克（上及下）是常见的。较重的夸克只能通过高能碰撞来生成（例如宇宙射线），而且它们很快就会衰变；然而，科学家们相信大爆炸后，第一秒的最早部分会存有重夸克，那时宇宙处于温度及密度极高的状态（夸克时期）。重夸克的实验研究都在人工的环境下进行，例如粒子加速器[19]。

同时拥有电荷、质量、色荷及味，夸克是唯一一种能经受现代物理全部四种相互作用的已知粒子，这四种作用为：电磁、重力、强相互作用及弱相互作用[14]。对于个别粒子的相互作用而言，除非是在极端的能量（普朗克能量）及距离尺度（普朗克距离）下，重力实在是小得微不足道。然而，由于现时仍没有成功的量子引力理论，所以标准模型并不描述重力。

关于六种夸克味更完整的概述，可见于下文中的列表。

历史

默里·盖尔曼，摄于2007年的TED大会。盖尔曼与乔治·茨威格在1964年提出了夸克模型。

夸克模型于1964年由物理学家默里·盖尔曼[20]和乔治·茨威格（George Zweig）[21][22]独立提出[6]。在这个提案前不久的1961年，盖尔曼提出了一种粒子分类系统，叫“八重道”——或技术上应叫特殊幺正群味对称[23]。以色列物理学家尤瓦勒·内埃曼（Yuval Ne'eman），在同年亦独立地开发出一套跟八重道相近的理论[24][25]。

在夸克理论的初期，当时的“粒子园”除了其他各种粒子，还包括了许多强子。盖尔曼和茨威格假定它们不是基本粒子，而是由夸克和反夸克组成的。在他们的模型中，夸克有三种味，分别是上、下及奇，他们把电荷及自旋等性质都归因于这些味[20][21][22]。初时物理学界对于这份提案的意见不一。当时学界对于夸克的本质有所争论，一方认为夸克是物理实体，另一方则认为，它只是用来解释当时未明物理的抽象概念而已[26]。

在一年之内，就有人提出了盖尔曼－茨威格模型的延伸方案。谢尔登·李·格拉肖和詹姆斯·布约肯（James Bjorken）预测有第四种夸克存在，他们把它叫做“粲”。加上第四种夸克的原因有三：一、能更好地描述弱相互作用（导致夸克衰变的机制）；二、夸克的数量会变得与当时已知的轻子数量一样；三、能产生一条质量方程，可以计算出已知介子的质量[27]。

斯坦福线性加速器中心（SLAC）深度非弹性散射实验在1968年指出，质子含有比自己小得多的点状物，因此质子并非基本粒子[7][8][28]。物理学家当时并不愿意把这些物体视为夸克，反而叫它们做“部分子”（parton）——一个由理查德·费曼所创造的新词[29][30][31]:42随着更多的发现，在SLAC所观测到的粒子后来被鉴定为上及下夸克[32]:556。不过，“部分子”一词到现在还在使用，是重子构成物（夸克、反夸克和胶子）的总称。

奇夸克的存在由SLAC的散射实验间接证实：奇夸克不但是盖尔曼和茨威格三夸克模型的必要部分，而且还解释到1947年从宇宙射线中发现的K和π强子[33]。

在1971年的一份论文中，格拉肖、约翰·李尔普罗斯和卢奇亚诺·马伊阿尼（Luciano Maiani）一起对当时尚未发现的粲夸克，提出更多它存在的理据[31]:44[34]。到1973年，小林诚和益川敏英指出再加一对夸克，就能解释实验中观测到的CP破坏[注 3][35]，于是夸克应有的味被提升到现时的六种。

粲夸克在1974年被两个研究小组几乎同时发现（见十一月革命）——一组在SLAC，由伯顿·里克特领导；而另一组则在布鲁克黑文国家实验室，由丁肇中领导。观测到的粲夸克在介子里面，与一个反粲夸克束缚（Bound state）在一起。两组分别为这种介子起了不同的名子：J及ψ；因此这种粒子的正式名子叫J/ψ介子。这个发现终于使物理学界相信夸克模型是正确的[31]。

在之后的几年，有一些把夸克数量增至六个的提案。其中，以色列物理学家哈伊姆·哈拉里（Haim Harari）在1975年的论文[36]中，最早把加上的夸克命名为“顶”及“底”[37]:31-33。

底夸克在1977年被利昂·莱德曼领导的费米实验室研究小组观测到[38][39]。这是一个代表顶夸克存在的有力征兆：没有顶夸克的话，底夸克就没有伴侣。然而一直都没有观测到顶夸克，直至1995年，终于被费米实验室的CDF[40]及DØ小组[41]观测到[6]。它的质量比之前预料的要大得多[37]:144——几乎跟金原子一样重[42]。

命名

盖尔曼原本想用鸭的叫声来命名夸克[43]。开始时他并不太确定自己这个新词的实际拼法，直到他在詹姆斯·乔伊斯小说《芬尼根的守灵夜》里面找到“夸克”这个词：

盖尔曼在其著作《夸克与美洲豹》中，更详细地述说了夸克这个词的由来[46]：

茨威格则用“埃斯”（Ace）来称呼他所理论化的粒子，但是在夸克模型被广泛接纳时，盖尔曼的用词就变得很有名[47]。很多中国物理学家则称夸克为“层子”，在台湾亦曾翻译“亏子”，但并不普遍使用。

夸克味的命名都是有原因的。上及下夸克被这样叫，是源于同位旋的上及下分量，而它们确实各自带有这样一个量[48]。奇夸克这个名字，是因为它们是在宇宙射线的奇异粒子中被发现的，发现奇异粒子的时候还没有夸克理论；它们被视为“奇异”，是因为它们的寿命不寻常地长[49]。跟布约肯一起提出粲夸克的格拉肖说过：“我们把它叫粲夸克，是因为在构建它的过程中，见到它为亚原子世界所带来的对称，我们被这种美迷住了，对成果感到很满意。”[50]至于“顶”和“底”这两个名字，哈拉里决定这样做，是因为“它们是上及下夸克逻辑上的伙伴”[36][37][49]。在过往，底及顶夸克有时会分别被叫作“美”及“真”夸克，但这两个名字现在已经很少人会用[51]:133。

性质

电荷

参见：电荷

夸克的电荷值为分数——基本电荷的−1⁄3倍或+2⁄3倍，随味而定。上、粲及顶夸克（这三种叫“上型夸克”）的电荷为+2⁄3，而下、奇及底夸克（这三种叫“下型夸克”）的则为−1⁄3。反夸克与其所对应的夸克电荷相反；上型反夸克的电荷为−2⁄3，而下型反夸克的电荷则为+1⁄3。由于强子的电荷，为组成它的夸克的电荷总和，所以所有强子的电荷均为整数：三个夸克的组合（重子）、三个反夸克（反重子），或一个夸克配一个反夸克（介子），加起来电荷值都是整数[52]。例如，组成原子核的强子，中子和质子，其电荷分别为0及+1；中子由两个下夸克和一个上夸克组成，而质子则由两个上夸克和一个下夸克组成[14]。

自旋

参见：自旋

自旋是基本粒子的一种内在特性，它的方向是一项重要的自由度。在视像化时，有时它会被视为一沿着自己中轴转动的物体（所以名叫“自旋”）。

自旋可以用矢量来代表，其长度可用约化普朗克常数ħ来量度。量度夸克时，在任何轴上量度自旋的矢量分量，结果皆为+ħ/2或−ħ/2；因此夸克是一种自旋1⁄2粒子[51]:80–90。沿某一轴（惯例上为z轴）上的旋转分量，一般用上箭头↑来代表+1⁄2，下箭头↓来代表−1⁄2，然后在后加上味的符号。例如，一自旋为+1⁄2的上夸克可被写成u↑[53]。

弱相互作用

主条目：弱相互作用
图为β衰变的费曼图，时间箭头向上。CKM矩阵（详见下文）包含了β及其他夸克衰变的发生概率。

夸克只能通过弱相互作用，由一种味转变成另一种味，弱相互作用是粒子物理学的四种基本相互作用之一。任何上型的夸克（上、粲及顶夸克），都可以通过吸收或释放一W玻色子，而变成下型的夸克（下、奇及底夸克），反之亦然。这种变味机制正是导致β衰变这种放射过程的原因，在β衰变中，一中子（n）“分裂”成一质子（p）、一电子（e−）及一反电中微子（νe）（见右图）。在β衰变发生时，中子（udd）内的一下夸克在释放一虚W−玻色子后，随即衰变成一上夸克，于是中子就变成了质子（uud）。随后W−玻色子衰变成一电子及一反电中微子[31]:307ff。

  n →   p + e− + νe （β衰变，重子标记）
udd → uud + e− + νe （β衰变，夸克标记）

β衰变及其逆过程“逆β过程”在医学上都有常规性的应用，例如正电子发射计算机断层扫描。这两个过程在高能实验中也有应用，例如中微子探测。

图为六种夸克间弱相互作用的强度。线的“深浅”由CKM矩阵的元决定。

尽管所有夸克的变味过程都一样，每一种夸克都偏向于变成跟自己同一代的另一夸克。所有味变的这种相对趋势，都是由一个数学表来描述，叫卡比博-小林-益川矩阵（CKM矩阵）。CKM矩阵内所有数值的大约大小如下[54]：

，

其中Vij 代表一夸克味i 变成夸克味j（反之亦然）的可能性[注 4]。

轻子（上图β衰变中在W玻色子右边的粒子）也有一个等效的弱相互作用矩阵，叫庞蒂科夫-牧-中川-坂田矩阵（PMNS矩阵）[55]。PMNS矩阵及CKM矩阵合起来能够描述所有味变，但两者间的关系并不明朗[56]。

强相互作用与色荷

参见：色荷和强相互作用
不论种类，强子的总色荷为零。

夸克有一种叫“色荷”的性质。色荷共分三种，可任意标示为“蓝”、“绿”及“红”[注 5]每一种色荷都有其对应的反色荷——“反蓝”、“反绿”及“反红”。每一个夸克都带一种色，而每一个反夸克则带一种反色。[57]

掌管夸克间吸引及排斥的系统，是由三种色的各种不同组合所负责，叫强相互作用，它是由一种叫胶子的规范玻色子所传递的；下文中有关于胶子更详细的讨论。描述强相互作用的理论叫量子色动力学（QCD）。一个带某色荷的夸克，可以和一个带对应反色荷的反夸克，一起生成一束缚系统；三个（反）色荷各异的（反）夸克，也就是三种色每种一个，同样也可以束缚在一起。两个互相吸引的夸克会达至色中性：一夸克带色荷ξ，加上一个带色荷−ξ的反夸克，结合后色荷为零（或“白”色），成为一个介子。跟基本光学的颜色叠加一样，把三个色荷互不相同的夸克或三个这样的反夸克组合在一起，就会同样地得到“白”的色荷，成为一个重子或反重子[58]。

在现代粒子物理学中，联系粒子相互作用的，是一种叫规范对称的空间对称群（见规范场论）。色荷SU(3)（一般简写成SU(3)c）是夸克色荷的规范对称，也是量子色动力学的定义对称[32]:part III}。物理学定律不受空间的方向（如x、y及z）所限，即使坐标轴旋转到一个新方向，定律依然不变，量子色动力学的物理也一样，不受三维色空间的方向影响，色空间的三个方向分别为蓝、红和绿。SU(3)c的色变与色空间的“旋转”相对应（数学上，色空间是复数空间）。每一种夸克味，f，下面都有三种小分类fB、fG和fR，对应三种夸克色蓝、绿和红[59]，形成一个三重态：一股有三个分量的量子场，并且在变换时遵从SU(3)c的基本表示[60]。这个时候SU(3)c应是局部的，这个要求换句话说，就是容许变换随空间及时间而定，所以说这个局部表示决定了强相互作用的性质，尤其是有八种载力用胶子这一点[32]:part III[61]。

质量

参见：质量

在提及夸克质量时，需要用到两个词：一个是“净夸克质量”，也就是夸克本身的质量；另一个是“组夸克质量”，也就是净夸克质量加上其周围胶子场的质量[62]。这两个质量的数值一般相差甚远。一个强子中的大部分的质量，都属于把夸克束缚起来的胶子，而不是夸克本身。尽管胶子的内在质量为零，它们拥有能量——更准确地，应为量子色动力学束缚能（QCBE）——就是它为强子提供了这么多的质量（见狭义相对论中的质量）。例如，一个质子的质量约为938 MeV/c2，其中三个价夸克大概只有11 MeV/c2；其余大部分质量都可以归咎于胶子的QCBE[63][64]。

标准模型假定所有基本粒子的质量，都是来自希格斯机制，而这个机制跟希格斯玻色子有关系。顶夸克有着很大的质量，一个顶夸克大约跟一个金原子核一样重（~171 GeV/c2）[63][65]，而透过研究为什么顶夸克的质量那么大，物理学家希望能找到更多有关于夸克，及其他基本粒子的质量来源[66]。

性质列表

参见：味 (粒子物理学)

下表总结了六种夸克的关键性质。每种夸克味都有自己的一组味量子数（同位旋（I3）、粲数（C）、奇异数（S）、顶数（T）及底数（B′）），它们代表着夸克系统及强子的一些特性。因为重子由三个夸克组成，所以所有夸克的重子数（B）均为+1⁄3。反夸克的话，电荷（Q）及其他味量子数（B、I3、C、S、T及B′）都跟夸克的差一个正负号。质量和总角动量（J；相等于点粒子的自旋）不会因为反粒子而变号。

夸克按其特性分为三代，如下表所示：

夸克味的性质[63]
名称 符号 质量（MeV/c2）* J B Q I3 C S T B′ 反粒子 反粒子符号
第一代 上 u 1.7 to 3.3 1⁄2 +1⁄3 +2⁄3 +1⁄2 0 0 0 0 反上 u
下 d 4.1 to 5.8 1⁄2 +1⁄3 −1⁄3 −1⁄2 0 0 0 0 反下 d
下一代
第二代 粲 c 1270+70
−90 		1⁄2 +1⁄3 +2⁄3 0 +1 0 0 0 反粲 c
奇 s 101+29
−21 		1⁄2 +1⁄3 −1⁄3 0 0 −1 0 0 反奇 s
下一代
第三代 顶 t 172000±900  ±1,300  1⁄2 +1⁄3 +2⁄3 0 0 0 +1 0 反顶 t
底 b 4190+180
−60 		1⁄2 +1⁄3 −1⁄3 0 0 0 0 −1 反底 b
J = 总角动量、B = 重子数、Q = 电荷、I3 = 同位旋, C = 粲数、S = 奇异数、T = 顶数及B′ = 底数。
* 像4190+180
−60 这样的标记代表量测不确定度。以顶夸克为例，第一个不确定度是自然中的随机，第二个是系统的。

注：每一味夸克都具有红、绿及蓝三种色的版本，但对上表所列的性质而言，三种版本都一样，故不列出。

相互作用中的夸克

参见：夸克禁闭和胶子

就像量子色动力学所描述的，夸克间的强相互作用由胶子传递，胶子是无质量的矢量规范玻色子。每一个胶子带有一种色及一种反色。在粒子相互作用的标准框架下（它是通用表述摄动理论的一部分），胶子通过发射与吸收虚粒子，不断在夸克间进行交换。当胶子在夸克间转换时，两者的色荷都会改变；例如一红夸克在发射出一红－反绿胶子后，它就会变成绿夸克，又例如一绿夸克在吸收了一红－反绿胶子，它就会变成红夸克。因此，尽管夸克的色不断在变，但是它们间的强相互作用是维持着的[67][68]:45-47[69]:85。

由于胶子带色荷，所以它们自己能发射及吸收其他胶子。因此导致“渐近自由”：当两个夸克间的距离愈来愈近时，它们之间的色动束缚力就愈来愈弱[69]:400ff。相反地，当夸克间的距离愈来愈远时，束缚力就愈来愈强。色场开始受到“应力”影响而不稳定，就像橡皮筋拉长时受应力影响而快断开一样，于是色场就会自发地生成许多合适色荷的胶子，来强化色场。当能量过了一个底限时，就会开始生成夸克和反夸克对。这些对与分离中的夸克束缚在一起，形成新的强子。这个现象叫“夸克禁闭”：夸克不能单独存在[68]:295–297[70]。夸克在高能碰撞中生成后，在能与其他夸克作出任何相互作用之前，就会发生强子化这个过程。唯一的例外是顶夸克，因为它会在强子化前先衰变[71]。

海夸克

除影响量子数的价夸克（(qv）之外，强子也含有虚夸克－反夸克对（qq），这些对粒子叫“海夸克”（qs）。当强子色场的胶子分裂时，就会产生海夸克；以上过程的逆过程也会发生，当两个海夸克湮灭时，会产生一个胶子。于是胶子就会持续地分裂与生成，形成所谓的“海”[72]。海夸克比价夸克不稳定得多，它们一般会在强子内部互相湮灭。尽管如此，海夸克在某些情况下还是会强子化，形成重子或介子类的粒子[73]。

夸克物质的其他相

夸克物质的性质描述相图。图中准确的细节，仍是进行中的研究课题[74][75]。

在足够极端的条件下，夸克可能会脱离禁闭，成为自由粒子。在渐近自由的演变下，高温时的强相互作用变得较弱。最后，色禁闭会失效，形成一股超热等离子体，由自由移动的夸克与胶子组成。这种物质的理论相叫夸克－胶子浆[76]。需要达到这个相的确切条件，现时仍是未知，但这方面一直都有不少的推测及实验。温度需求的近期估计为(1.90±0.02)×1012 开尔文[77]。虽然夸克及胶子的完全自由态从未被实现（尽管欧洲核子研究组织在1980年代至90年代间尝试过许多次），但是在相对论性重离子对撞机的近期实验中，有证据指出像液体的夸克物质，能展示出“近乎完美”的流体运动[78]。

夸克－胶子浆的特点是，相对于上及下夸克对的数量，重夸克对的数量大幅提升。宇宙学家们相信，在大爆炸后10−6秒之前（夸克时期），宇宙里充满着这种夸克－胶子浆，因为当时的温度实在太高，重子会不稳定[79]。

当重子密度足够高时，且温度相对地低——大概可以跟中子星相比的条件——根据理论预测，夸克物质会退化成一弱作用夸克的费米液体。这种液体的特点是，它是由带色夸克的库珀对凝聚而成的，因此会对局部SU(3)c对称性造成破缺。由于库珀对含有色荷，所以这样的一种夸克物质相，叫色超导体，此时色荷能够在无色阻的情况下通过[80]。

另见

注解

  1. ↑ 2000年代初，有几个研究小组声称，已证实了四夸克粒子与五夸克粒子的存在。尽管四夸克粒子的情况目前仍在争论中，但是所有五夸克候选粒子都已被证实不存在。
  2. ↑ 主要证据是基于Z0玻色子的共振宽度，它限制了第四代中微子的质量，此时质量需要大于~45 GeV/c2。与其他三代的中微子相比，它们的质量不高于2 MeV/c2，可见两者形成非常大的对比。
  3. ↑ 在弱相互作用下的一个反应中，当左右被逆转（P对称），且粒子被换成反粒子（C对称）后，CP破坏会使这个反应的前后不一样。
  4. ↑ 从一夸克衰变至另一夸克的实际概率，是一个包含衰变夸克质量、衰变产物质量及对应CKM矩阵元等变数的复杂函数。该概率与CKM矩阵对应项(|Vij|2) 的平方成正比（但不相等）。
  5. ↑ 尽管名字中有颜色，色荷跟可见光的色谱并没有关系。

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外部链接

粒子物理学
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