夸克

夸克（quark）是物质性的基本粒子，是构成物质的基本单元。它是唯一一种能经受引力、电磁、强相互作用和弱相互作用四种基本力的基本粒子，也是唯一一种已知基本电荷为非整数的粒子。夸克具有分数电荷、质量和自旋等各种固有属性。

基本粒子的标准模型是描述组成物质世界的基本粒子以及它们之间的相互作用(引力除外)的理论。标准模型认为物质都是由基本粒子组成的，基本粒子分成两类，称为夸克和轻子。如下图所示。在这个模型中，夸克有6种类型，被称为"味道"，包括：上夸克（u）、下夸克（d）、奇异夸克（s）、粲夸克（c）、底夸克（b）和顶夸克（t），这些夸克被分为三代。第一代夸克包括上夸克和下夸克，它们是构成所见所有物质的原子核的质子和中子的主要成分。第二代的夸克包括奇夸克和粲夸克，它们可以在高能环境中（如在宇宙线或人造粒子加速器产生的粒子碰撞中）找到。第三代的夸克包括顶夸克和底夸克，这两种夸克可在超高能的粒子加速器实验中产生，不存在于我们周围的环境中。

基本粒子的标准模型

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什么是夸克？ （来源：中科院物理所)

夸克具有分数电荷Q(以|e|为单位)，电荷数为+2/3或-1/3。上夸克、粲夸克和顶夸克又称为“上型夸克”，具有2/3的电子电量；下夸克、奇夸克和底夸克又称为“下型夸克”，则具有-1/3的电子电量。自旋是基本粒子的基本性质之一，是内禀运动量子数的简称，夸克的自旋都是1/2。夸克的质量如下图所示。每个夸克都有“色荷”作为其内禀性质，即夸克也有“颜色”的区别，每种“味”的夸克有“蓝”、“红”和“绿”三种颜色，反夸克与夸克颜色相反，即反红、反蓝和反绿。正是因为夸克带色，描写夸克之间相互作用的动力学叫量子色动力学(QCD)。不同颜色的夸克靠胶子结合在一起。胶子是微观粒子之间色相互作用的媒介粒子。夸克之间会通过交换胶子的方式发生强相互作用，胶子之间也会发生强相互作用。重子数是粒子物理中的一个量子数，用B表示，在重子参加的过程中，反应前各粒子的重子数B的代数和同反应后各粒子的重子数B的代数和相等，即重子数守恒。夸克的重子数为1/3，反夸克的重子数为-1/3。每一种夸克都有对应的反夸克，其电荷、同位旋等量数与对应夸克相反。

夸克的基本性质

1961年，美国物理学家迈克尔·盖尔曼（Michael Gell-Mann，1929-2019）和以色列物理学家内曼（Yuval Neemann，1925-2006）各自独立地提出了强作用对称性的理论——八重法（eightfold way），即把性质相近的强作用基本粒子分成一个个的族，并认为每个族成员应有8个。八重法将已知的全部基本粒子归类，尚未发现粒子的性质可以根据已知粒子的特性进行推导。1964年，盖尔曼和兹韦格在八重法的基础上分别提出了更复杂的夸克模型，认为中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克组成的，夸克有三种，即上夸克、下夸克和奇异夸克。在夸克模型中，夸克带有分数电荷，靠交换胶子结合，不可能单独被观测到。“夸克”一词是盖尔曼从乔伊斯的小说《芬尼根彻夜祭》(Finnegan's Wake)中的诗句改编而来的。直到1968年，美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）验证了夸克的存在。为此，物理学家杰罗姆·弗里德曼（Jerome Friedman）、亨利·肯德尔（Henry Kendall）和查德·泰勒（Richard Taylor）三人分享了1990年的诺贝尔物理奖。 盖尔曼因发现夸克而获得1969年度诺贝尔物理学奖。1974年，美国华裔科学家丁肇中（Samuel Chao Chung Ting，1936-）与美国科学家瑞奇特（Burton Richter，1931-）分别在实验中发现了一种长寿命大质量的新粒子，称为J/y粒子。由于J/y粒子是粲夸克与其反粒子组成的束缚态粒子，可直接证实粲夸克的存在。为此，丁肇中与瑞奇特一起分享了1976年的诺贝尔物理学奖。1977年，美国物理学家莱德曼（Leon M. Lederman，1922-）发现了一种长寿命的新粒子，只能引入第五种夸克——取名为“美”（Beauty）或“底”（Bottom），用字母b代表。后来在正负电子对撞机上做实验，进一步证实了该粒子的存在，该粒子是由新的一味夸克——底夸克组成。1994年，美国费米实验室的CDF组在质子-反质子对撞机上发现了一个最重的夸克—顶夸克（top），用字母t代表。1995年，CDF组寻找更多证据的同时，同实验室的另一实验小组用不同的方法找到了由顶夸克衰变为底夸克和W玻色子的事例，两组实验相互得到了印证，证实了顶夸克的存在。1964年，美国科学家格林伯格（Oscar Wallace Greenberg）引入了夸克的一种自由度——“颜色”（color）的概念，是一种量子数的代名词，每味夸克就有三种颜色分别是红、绿和蓝。夸克的种类由原来的6种扩展到18种，再加上与它们对应的18种反夸克，自然界一共有36种夸克。

Λ超子的整体极化效应是夸克研究领域的一个新的热点。2017年，在美国布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机(relativistic heavy ioncollider，RHIC)上，STAR (solenoidal tracker at RHIC)实验组首先观测到了Λ超子的整体极化效应，结果显示相对论重离子碰撞中产生的Λ超子是沿着反应面法线方向的反方向极化的。这一结果引发了相关问题的大量后续理论与实验研究，使自旋物理以及由此衍生的手征与电磁场效应成为当前重离子碰撞物理领域的新方向。夸克-胶子等离子体的研究也是夸克领域的成果之一。在宇宙大爆炸的初期，在极端高温和高密的环境中，夸克不是被囚禁在中子、质子等强子中，而是以新的物质形态—夸克一胶子等离子体，在较大的尺度内自由自在、无拘无束地运动。夸克-胶子等离子体的研究可以帮助人类了解宇宙早期的条件，通过模拟和实验观测夸克胶子等离子体，科学家们可以推断宇宙演化的过程。夸克-胶子等离子体也与高能物理现象有关，通过研究高能重离子碰撞中的实验特征，科学家可以探索粒子间相互作用和强相互作用的基本规律。夸克-胶子等离子体的研究已经成为高能物理和宇宙学领域的重点之一。

研究夸克之间的相互作用和性质，可以深入了解微观粒子内部结构及其转化规律。这对基础物理学的发展起到了重要推动作用。夸克研究的重大突破代表着当今世界最高水平的科学研究成果。因为人类对微观世界的认识必须依赖实验手段的进步而不断深入，粒子加速器、探测手段、数据记录和处理以及计算机技术的不断发展，除了推动粒子物理本身的深入研究，还促进了其他科学技术的进步。同时，夸克的研究还促进了天体物理学与宇宙学的发展，通过揭示宇宙演化过程中从微观到宏观的相互渗透转化的逻辑进程，夸克研究为我们更好地理解宇宙的形成与演化提供了重要线索。此外，夸克研究也对哲学关于物质结构的认识做出了重要贡献，丰富和发展了辩证唯物主义的物质观与自然观。夸克的发现和研究向我们展示了人们对物质结构的不断深化和无止境的探索过程。总而言之，夸克研究在微观粒子物理学、天体物理学、哲学等领域都具有重大意义。