夸克

分类

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（q）：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，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。
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。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（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。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。
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

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”——或技术上应叫特殊幺正群味对称。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“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。
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。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“成子”（parton）——一个由理查德·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，“成子”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。
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。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。
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。
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。

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。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

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。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↑。

强相互作用与色荷

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)c）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)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，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。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。

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。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。
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），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。

相互作用中的夸克

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。
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。

海夸克

除影响量子数的价夸克（(q
v）之外，强子也含有虚夸克－反夸克对（qq），这些对粒子叫“海夸克”（q
s）。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。

夸克物质的其他相

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(1.90±0.02)×10¹² 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。
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。