夸克

title: 分类.
content: 标准模型是描述所有已知基本粒子的理论框架。此模型包含六种味的夸克():上()、下()、奇()、zh-tw:魅;zh-cn:粲()、底()及顶()。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。  夸克的自旋为,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。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。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。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()及五夸克粒子(),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,第二代有奇及魅夸克,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,又有有力的间接证据支持不会有超过三代 。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,科学家们相信大霹雳后,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。  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。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重力理论,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。
title: 历史.
content: 夸克模型于1964年由物理学家默里·盖尔曼和乔治·茨威格(George Zweig)独立提出。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”——或技术上应叫特殊么正群味对称。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。  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。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。  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“zh-tw:魅;zh-cn: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。  史丹佛线性加速器中心(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。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)——一个由理乍得·费曼所创造的新词随着更多味的发现,在SLAC所观测到的粒子后来被鉴定为上及下夸克。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和强子。  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魅夸克,提出更多它存在的理据。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,于是夸克应有的味被提升到现时的六种。  魅夸克在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哈芬国家实验室,由丁肇中领导。观测到的魅夸克在介子里面,与一个反魅夸克束缚(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。  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年的论文中,最早把加上的夸克命名为“顶”及“底”。  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。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费米实验室对撞机探测器及D0实验小组观测到。它的质量比之前预料的要大得多——几乎跟金原子一样重。
title: 命名.
content: 盖尔曼原本想用鸭的叫声来命名夸克。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: 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。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。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。跟布约肯一起提出魅夸克的格拉肖说过:“我们把它叫魅夸克,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。”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”。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。
title: 性质.
title: 电荷.
content: 夸克的电荷值为分数——基本电荷的−倍或+倍,随味而定。上、zh-tw:魅;zh-cn:粲及顶夸克(这三种叫“上型夸克”)的电荷为+,而下、奇及底夸克(这三种叫“下型夸克”)的则为−。反夸克与其所对应的夸克电荷相反;上型反夸克的电荷为−,而下型反夸克的电荷则为+。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。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。
title: 自旋.
content: 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”)。  自旋可以用向量来代表,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向量分量,结果皆为+"ħ"/2或−"ħ"/2;因此夸克是一种自旋粒子。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+,下箭头↓来代表−,然后在后加上味的符号。例如,一自旋为+的上夸克可被写成u↑。
title: 弱相互作用.
content: 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、zh-tw:魅;zh-cn: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()“分裂”成一质子()、一电子()及一反电中微子()(见右图)。在β衰变发生时,中子()内的一下夸克在释放一虚玻色子后,随即衰变成一上夸克,于是中子就变成了质子()。随后玻色子衰变成一电子及一反电中微子。  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。 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: 其中"V" 代表一夸克味"i" 变成夸克味"j"(反之亦然)的可能性。  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)。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。
title: 强相互作用与色荷.
content: zh-hans:;zh-hant: 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”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。  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。  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))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,即使座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"f"、"f"和"f",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。
title: 质量.
content: 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。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/c,其中三个价夸克大概只有11 MeV/c;其余大部分质量都可以归咎于胶子的QCBE。  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/c),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。
title: 性质列表.
content: 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("I")、魅数("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+。反夸克的话,电荷("Q")及其他味量子数("B"、"I"、"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:  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。
title: 相互作用中的夸克.
content: 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,胶子是无质量的向量玻色子规范玻色子。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(它是通用表述微扰理论的一部分),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。  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。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 。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。
title: 海夸克.
content: 除影响量子数的价夸克(()之外,强子也含有虚夸克-反夸克对(),这些对粒子叫“海夸克”()。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”。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。
title: 夸克物质的其他相.
content: zh-hans:;zh-hk:;zh-tw:  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,形成一股超热电浆体,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。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 开尔文。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。  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,在大霹雳后10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。  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)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,叫色超导性,此时色荷能够在无色阻的情况下通过。

Summary: 夸克(英语:quark)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。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。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。