夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》的词句“向麦克老人三呼夸克(Three quarks for Muster Mark)”。无非是指一个质子中有三个夸克。另外夸克在该书中具有多种含义,其中之一是一种海鸟的叫声。他认为,这适合他最初认为“基本粒子不基本、基本电荷非整数”的奇特想法,同时他也指出这只是一个笑话,这是对矫饰的科学语言的反抗。另外,也可能是出于他对鸟类的喜爱。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《芬尼根守灵夜》里面找到“夸克”这个词:向麦克老大三呼夸克!——《芬尼根守灵夜》,詹姆斯·乔伊斯盖尔曼在其著作《夸克与美洲豹》中,更详细地述说了夸克这个词的由来:在1963年,我把核子的基本构成命名为“夸克”(quark),我先有的是声音,而没有拼法,所以当时也可以写成“郭克”(kwork)。不久之后,在我偶尔翻阅詹姆斯·乔伊斯所著的《芬尼根守灵夜》时,我在“向麦克老大三呼夸克”这句中看到夸克这个词。由于“夸克”(字面上意为海鸥的叫声)很明显是要跟“麦克”及其他这样的词押韵,所以我要找个借口让它读起来像“郭克”。但是书中代表的是酒馆老板伊厄威克的梦,词源多是同时有好几种。书中的词很多时候是酒馆点酒用的词。所以我认为或许“向麦克老大三呼夸克”源头可能是“敬麦克老大三个夸脱”,那么我要它读“郭克”也不是完全没根据。再怎么样,字句里的三跟自然中夸克的性质完全不谋而合。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”,在台湾地区亦曾翻译“亏子”,但并不普遍使用。夸克味的命名都是有原因的。上夸克和下夸克被这样叫是源于同位旋的上、下两个分量,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。粲夸克的命名主要是来自美妙的对称性而得名。跟比约肯(James D. Bjorken)一起提出粲夸克的格拉肖(Sheldon L. Glashow)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。”至于“顶”和“底”这两个名字,哈拉里(Haim Harari)决定这样做,是因为“它们是上夸克和下夸克逻辑上的伙伴”。以前,底夸克和顶夸克有时会分别被叫作“美”夸克和“真”夸克(它们用英文字母表示都为“b”和“t”,但这两个名字已经很少人会用了。夸克模型于1964年由物理学家盖尔曼和茨威格独立提出。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“八重态”—或技术上应叫SU(3)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态相近的理论在夸克理论提出之前,当时的“粒子动物园”除了其它各种轻子,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,学界对于夸克的本质有所争论。有的认为夸克是物理实体,有的则认为,它只是用来解释当时未知物理的抽象概念而已。在夸克模型提出后的一年之内,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(Sheldon L. Glashow)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:首先、能更好地描述弱相互作用(导致夸克衰变的机制);其次、夸克的数量会变得与当时已知的轻子数量一样;最后、能产生一条质量方程,可以计算出已知介子的质量。斯坦福线性加速器中心(SLAC)的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)—一个由理查德·费曼(Richard Phillips Feynman)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,是强子构成物(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份,而且还解释了1947年从宇宙射线中发现的K介子和π介子。在1971年的一份论文中,格拉肖、约翰·李尔普罗斯(John Iliopoulos)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。到1973年,小林诚(Makoto Kobayashi)和益川敏英(Toshihide Maskawa)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。粲夸克在1974年被两个研究小组几乎同时发现:一组在SLAC,由伯顿·里克特(Burton Richter)领导;而另一组则在布鲁克黑文国家实验室,由丁肇中(Samuel Chao Chung Ting)领导。观测到的粲夸克在介子里面,与一个反粲夸克束缚在一起。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(Leon Lederman)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。然而实验上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及DØ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。参见:粒子物理标准模型粒子物理标准模型是描述所有已知基本粒子的理论框架,同时还包括希格斯(Higgs)玻色子。此模型包含所有目前已知的六种味的夸克。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,但两者的电荷及其它荷的符号则相反。夸克的自旋为1⁄2。因此根据自旋统计定理,它们是费米子,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。这一点跟玻色子相反(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”。在强子中决定量子数的夸克叫“价夸克”。除了这些价夸克,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,它们的不同点在于其所含的价夸克及这些内含物所赋予的性质。而含有更多价夸克的“奇特强子”,如四夸克粒子(qqqq)及五夸克粒子(qqqqq),目前仍在理论阶段。尽管实验上已有迹象表明其存在,但是它们的存在仍未被最终证实。(图片解释:标准模型中的粒子有六种是夸克(图中用紫色表示)。左边的三列中,每一列构成物质的一代。)基本费米子被分成三代,每一代由两味轻子和两味夸克组成。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,又存在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,科学家们相信宇宙起源极早期会存有重夸克,那时宇宙处于温度及密度极高的状态(夸克—胶子等离子体时期)。目前,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。由于同时拥有电荷、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。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,引力实在是小得微不足道。另外,由于现时仍没有成功的量子引力理论,所以粒子物理的标准模型并不包含引力。最近,吴岳良发展引力量子场论将引力与电磁、弱和强三种基本相互作用放在平等的地位处理,并在量子场论框架下进行统一描述。关于六种夸克味更完整的概述,可见于下文中的列表。夸克的电荷值为分数—基本电荷的+2⁄3倍或-1⁄3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”)的电荷则为−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。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。自旋是基本粒子的一种内禀特性,它的方向是一个重要的自由度。在图像化时,有时它会被视为一个沿着自己的中轴转动的物体(所以名叫“自旋”)。但是由于科学家们认为基本粒子应是点粒子,所以上述这个看法有一定的误导性。自旋可以用矢量来代表,其长度可用约化普朗克常数ћ来量度。量度夸克时,在任何轴上量度自旋的矢量分量结果均为+ħ/2或−ħ/2,因此夸克是一种自旋1⁄2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+1⁄2,下箭头↓来代表−1⁄2,然后在前加上味的符号。例如,一自旋为+1⁄2的上夸克可被写成u↑。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,它的发现原于对原子核β衰变的研究。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,一个中子(n)“分裂”成一个质子(p)、一个`电子(e)及一个反电子中微子(`νe)(见右图)。在β衰变发生时,中子(udd)内的一个下夸克在释放一个虚W玻色子后,随即衰变成一个上夸克,于是中子就变成了质子(uud)。随后W玻色子衰变成一个电子及一个反电子中微子。nàp+e-+`νeβ衰变,重子标记uddàuud+e-+`νeβ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矩阵的元的大小决定。尽管所有夸克的变味过程都一样,但是每一种夸克都偏向于变成跟自己同一代的另一夸克。所有变味的这种相对趋势,都是由一个数学表来描述,叫卡比博(Cabbibo)-小林(Kobayashi)-益川(Maskawa)矩阵(CKM矩阵)。CKM矩阵内所有数值的大约大小如下:其中Vij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(Pontecorvo)-牧(Maki)-中川(Nakagawa)-坂田(Sakata)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。