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夸克
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一种参与强相互作用的基本粒子
概述
夸克（quark）是一种参与强相互作用的基本粒子。夸克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。由于一种所谓“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。因此，我们对夸克的认知大都是间接地来自对强子的观测。
概念提出与名称由来
模型发展
抽象概念
1964年，物理学家默里·盖尔曼 和乔治·茨威格（GeorgeZweig）先后独立提出了夸克模型。当时，人类已知的各种粒子中包括许多强子。盖尔曼和茨威格认定，这些强子不是基本粒子，而是由夸克和反夸克组成。在他们的模型中，夸克有上、下及奇三种味，三种味的夸克电荷、自旋等性质各异。对于夸克的本质，当时学界存在很大的争议。有人认为夸克是物理实体，而一些人则认为，它只是用来解释当时未明物理的抽象概念而已。
延伸发展
夸克
1968年，史丹佛线性加速器中心（SLAC）的深度非弹性散射实验显示，质子含有比自己小得多的点状物，说明质子并非基本粒子。当时SLAC的物理学家把这些粒子称作做“成子”（parton），后来被鉴定为上及下夸克。不过，“成子”一词到现在还在使用，泛指重子构成物，即夸克、反夸克和胶子的总称。
SLAC的散射实验间接证实了奇夸克的存在，以及默里·盖尔曼和G.茨威格三夸克模型的合理性，并成功解释了1947年从宇宙射线中发现的K和π强子。
1974年，粲夸克被两个研究小组几乎同时发现。他们分别是SLAC和布鲁克黑文国家实验室，其中后者由华裔科学家丁肇中领导，后来因此获得了诺贝尔物理学奖。粲夸克均是在介子里观测到的，与一个反粲夸克束缚在一起。后来，该粒子被正式命名为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。
1975年，以色列物理学家哈伊姆·哈拉里（HaimHarari）在其论文中，提出了“顶”及“底”夸克的概念，建议把夸克数量增至六个。
分类
夸克的种类被称为“味”，已知的夸克有六种，即六味，它们分别是上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及顶（t）。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。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。所有夸克中，上及下夸克的质量最轻。奇、粲、底、顶等较重的夸克会通过粒子衰变，衍变为上或下夸克。粒子衰变是一个从高质量态变成低质量态的过程。作为衰变的产物，上及下夸克通常较稳定，广泛存在于宇宙中，而奇、粲、底及顶较不稳定，只能通过宇宙射线及粒子加速器等高能粒子碰撞得到，且衰变速度很快。
夸克
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。
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。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。也已知道的强子种类很多，它们的不同点在于所含的夸克，及这些内含物所赋予的性质。而含有更多价夸克的“奇特重子”，如四夸克粒子（qqqq）及五夸克粒子（qqqqq），目前仍在理论阶段，它们的存在仍未被证实。
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。代数较高的粒子，一般会有较大的质量及较低的稳定性，它们会通过弱相互作用，衰变成代数较低的粒子。大自然中，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。不过，有科学家认为，大爆炸早期会存在重夸克，那时宇宙处于高温高密度状态。目前，重夸克实验研究都在粒子加速器等人工环境下进行。
性质
电荷
强子(中子和质子)-内部结构模型图
弱相互
β衰变-内部结构模型图
变味过程中，每一种夸克都偏向于变成跟自己同一代的另一夸克。这种相对趋势可由一个数学表—卡比博-小林-益川矩阵（CKM矩阵）来描述。轻子也有一个类似的弱相互作用矩阵，叫庞蒂科夫-牧-中川-坂田矩阵（PMNS矩阵）。这两个矩阵合起来能够描述所有味变，但两者间的关系至今尚不明朗。
强相互作用与色荷
三种色的不同组合决定着夸克间的吸引及排斥，即强相互作用，它是由一种叫胶子的规范玻色子所传递的。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。
三色夸克-内部结构模型圖
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。色荷SU(3)是夸克色荷的规范对称，也是量子色动力学的定义对称。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)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，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)的基本表示。这个时候SU(3)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。
质量
胶子-内部结构模型图
夸克本身的质量被称作“净夸克质量”，净夸克质量加上其周围胶子场的质量被称作“组夸克质量”，这两个质量数值一般相差甚远。一个强子中的大部份的质量，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，它们拥有量子色动力学束缚能QCBE，它为强子提供了更多的质量。例如，一个质子的质量约为938MeV/C2，其中三个价夸克大概只有11MeV/c2；其余大部份质量都可以归咎于胶子的QCBE。
希格斯玻色子-内部结构模型图
性质列表
下表总结了六种夸克性质。每种夸克味都有自己的味量子数（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。对于反夸克，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
夸克味的性质 | ||||||||||||
名称 | 符号 | 质量（MeV/c） | J | B | Q | I3 | C | S | T | B | 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 |
第二代 | ||||||||||||
展开表格
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。*4,190+180-60，这样的标记代表量测不确定度。
发现研究
夸克
1994年，“顶夸克”被发现，它使科学家得到了有关夸克子的完整图像，对宇宙大爆炸之初的宇宙演化研究有重大意义，因为大爆炸最初产生的高热，会产生大量顶夸克粒子。
夸克理论认为，夸克都是被囚禁在粒子内部的，不能单独存在。一些人则认为夸克并非真实存在。然而夸克理论做出的几乎所有预言都与实验测量符合得很好，因此大部分研究者坚信夸克理论的正确性。
“夸克星”-内部结构模型图
1997年，俄国物理学家戴阿科诺夫等人预测，存在一种由五个夸克组成的粒子，质量比氢原子大50%。2001年，日本物理学家在SP环-8加速器上用伽马射线轰击塑料时，发现了五夸克粒子存在的证据。随后得到了美国托马斯·杰裴逊国家加速器实验室和莫斯科理论和实验物理研究所的物理学家们的证实。这种五夸克粒子由2个上夸克、2个下夸克和一个反奇异夸克组成，它并不违背粒子物理的标准模型。这是首次发现多于3个夸克组成的粒子。研究人员认为，这种粒子可能仅是“五夸克”粒子家族中的一员，还有可能存在由4个或6个夸克组成的粒子。
发现过程
机遇
20世纪30年代中期，粒子加速器的出现，使得科学家们能够把中子和质子进一步“打碎”。
建立模型
盖尔曼发现自己可以建立起质子分裂或者合成的简单反应模式。但是有几个模式似乎并不遵循守恒定律。之后他意识到如果质子和中子不是固态物质，而是由3个更小的粒子构成，那么他就可以使所有的碰撞反应都遵循简单的守恒定律了。
证明
经过两年的努力，盖尔曼证明了这些更小的粒子肯定存在于质子和中子中。他将之命名为“k-works”，后来缩写为“kworks”。之后不久，他在詹姆斯·乔伊斯（JamesJoyce）的小说中中读到一句“三声夸克（threequarks）”，于是将这种新粒子更名为夸克（quark）。与此同时，加利福尼亚理工学院(Caltech)的茨威格(G·Zweig)也独立地提出了这一预言。
夸克
斯坦福直线加速器中心所做的实验与卢瑟福(E·Rutherford)所做的验证原子核式模型的实验类似。正像卢瑟福由于大量α粒子的大角度散射现象的观察，预言原子中有核存在一样，斯坦福直线加速器中心由前所未料的大量电子的大角度散射现象，证实核子结构中有点状组分。
事实上，在斯坦福直线加速器中心—麻省理工学院所做的实验之前，没有人能拿出令人信服的动力学实验来证实质子和中子中有夸克存在，那个时期理论学家对强子理论中夸克所扮演的角色还不清楚。
1962年，斯坦福开始建造大的直线加速器，它的能量为10-20GeV，经过一系列改进后，能量可达到50GeV。两年后，斯坦福直线加速器中心主任潘诺夫斯基(W·Panofsky)得到几个年轻物理学家的支持，泰勒就是其中一员，并担任了一个实验小组的领导。不久弗里德曼和肯德尔也加入进来，他俩那时是麻省理工学院的教师，他们一直在5GeV的剑桥电子加速器上做电子散射实验，这个加速器是一个回旋加速器，容量有限。但是斯坦福的加速器有20GeV能量，可以产生“超强的射线束、高的电流密度和外部射线束。加利福尼亚理工学院的一个小组也加入合作，他们的主要工作是比较电子—质子散射和正电子—质子散射。这样，来自斯坦福直线加速器中心、麻省理工学院和加利福尼亚理工学院的科学家组成了一支庞大的研究队伍。他们决定建造两个能谱仪，一个是8GeV的大接受度能谱仪，另一个是20GeV的小接受度能谱仪。新设计的能谱仪和早期的能谱仪不同的地方是它们在水平方向用了直线一点聚焦。这种新设计能够让散射角在水平方向散开，而动量在垂直方向散开。
在那时，物理学的主流认为质子没有点状结构，他们预想大角度散射将会很少，而实验结果出乎意料的大。这是一个惊人的发现，人们不知道它意味着什么。在这种情况下，斯坦福直线加速器中心的理论家比约肯(J·Biorken)提出了标定无关性的思想。在得出标度无关性时，他用了许多并行的方法，其中最具有思辩性的是点状结构。
1967年末至1968年初，深度非弹性散射的实验数据已开始积累。当肯德尔把新的数据分析拿给比约肯看了以后，比约肯建议用标度无关变量ω来分析这些数据。按照旧方法描图，数据很非常分散，但按比约肯的方法处理数据时，数据竟很好地集中起来。1968年8月，第十四届国际高能物理会上，弗里德曼报告了实验结果。
1968年8月，加利福尼亚理工学院的R·费因曼访问斯坦福直线加速器中心时，看到了非弹性散射的数据和比约肯标度无关性。他认为部分子在高能相对论核子中是近似自由分布的，也就是说结构函数与部分子的动量分布是相关的。这是一个简单的动力学模型，也是比约肯观点的另一种说法。费因曼的工作大大刺激了理论工作，几种新的理论出现了。费因曼根据夸克的要求，淘汰了一些假设。
一年以后，欧洲核子研究中心重液泡室的中微子非弹性散射，对斯坦福直线加速器中心的实验结果给予了有力扩展。后来的μ子深度非弹性散射、电子—正电子碰撞、质子—反质子碰撞、强子喷注都显示了夸克—夸克的相互作用。所有这些都有力地证明了强子的夸克结构。
夸克的点状结构及其在强子中的强约束的矛盾，使得物理学界接受夸克用了好几年的时间。事实上，夸克理论不能完全唯一地解释实验结果，获得诺贝尔奖的实验表明质子中还包含有电中性的结构，那就是此后不久发现的“胶子”。在质子和其它粒子中胶子把夸克胶合在了一起。
1973年，格洛斯、威耳茨克(F·Wilczek)和鲍里泽尔(H·D·Politzer)独立地发现了非阿贝尔规范场的渐近自由理论。这种理论认为，如果夸克之间的相互作用是由色规范胶子引起的，夸克之间的耦合在短距离内呈对数减弱。这个理论后来被叫做量子色动力学，很好地解释了斯坦福直线加速器中心的所有实验结果。另外，渐近自由的反面，远距离耦合强度的增加解释了夸克禁闭的机制。
总之，斯坦福直线加速器中心的电子非弹性散射实验显示了夸克的点状行为，成为量子色动力学的实验基础。
参考资料
[1]
湖南教育出版社 . 夸克物质理论导论 : 李家荣 ，1989-9
[2]
欧核中心宣布发现3种新的奇特粒子结构 · 财联社[引用日期2022-07-06]
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