夸克

分類

標準模型是描述所有已知基本粒子的理論框架。此模型包含六種味的夸克（q）：上（u）、下（d）、奇（s）、魅（c）、底（b）及頂（t）。夸克的反粒子叫反夸克，在對應的夸克符號上加一橫作為標記，例如u代表反上夸克。跟一般反物質一樣，反夸克跟對應的夸克有著相同的質量、平均壽命及自旋，但兩者的電荷及其他荷的正負則相反。
夸克的自旋為¹⁄₂，因此根據自旋統計定理，它們是費米子。它們遵守包立不相容原理，即兩個相同的費米子，不能同時擁有相同的量子態。這點跟玻色子相反（擁有整數自旋的粒子），在相同的量子態上，相同的玻色子沒有數量限制。跟輕子不同的是，夸克擁有色荷，因此它們會參與強交互作用。因為這種夸克間吸引力的關係，而形成的複合粒子，叫做「強子」（見下文強交互作用與色荷部份）。
在強子中決定量子數的夸克叫「價夸克」；除了這些夸克，任何強子都可以含有無限量的虛（或「海」）夸克、反夸克，及不影響其量子數的膠子。強子分兩種：帶三個價夸克的重子，及帶一個價夸克和一個反價夸克的介子。最常見的重子是質子和中子，它們是構成原子核的基礎材料。我們已經知道有很多不同的強子（見重子列表及介子列表），它們的不同點在於其所含的夸克，及這些內含物所賦予的性質。而含有更多價夸克的「奇異」強子，如四夸克粒子（qqqq）及五夸克粒子（qqqqq），目前仍在理論階段，它們的存在仍未被證實。
基本費米子被分成三代，每一代由兩個輕子和兩個夸克組成。第一代有上及下夸克，第二代有奇及魅夸克，而第三代則有頂及底夸克。過去所有搜尋第四代基本粒子的研究均以失敗告終，又有有力的間接證據支持不會有超過三代 。代數較高的粒子，一般會有較大的質量及較低的穩定性，於是它們會通過弱交互作用，衰變成代數較低的粒子。在自然中，只有第一代夸克（上及下）是常見的。較重的夸克只能通過高能碰撞來生成（例如宇宙射線），而且它們很快就會衰變；然而，科學家們相信大霹靂後，第一秒的最早部份會存有重夸克，那時宇宙處於溫度及密度極高的狀態（夸克時期）。重夸克的實驗研究都在人工的環境下進行，例如粒子加速器。
同時擁有電荷、質量、色荷及味，夸克是唯一一種能經受現代物理全部四種交互作用的已知粒子，這四種作用為：電磁、重力、強交互作用及弱交互作用。對於個別粒子的交互作用而言，除非是在極端的能量（普朗克能量）及距離尺度（普朗克距離）下，重力實在是小得微不足道。然而，由於現時仍沒有成功的量子重力理論，所以標準模型並不描述重力。
關於六種夸克味更完整的概述，可見於下文中的列表。

歷史

夸克模型於1964年由物理學家默里·蓋爾曼和喬治·茨威格（George Zweig）獨立提出。在這個提案前不久的1961年，蓋爾曼提出了一種粒子分類系統，叫「八重道」——或技術上應叫特殊么正群味對稱。以色列物理學家尤瓦勒·內埃曼（Yuval Ne'eman），在同年亦獨立地開發出一套跟八重道相近的理論。
在夸克理論的初期，當時的「粒子園」除了其他各種粒子，還包括了許多強子。蓋爾曼和茨威格假定它們不是基本粒子，而是由夸克和反夸克組成的。在他們的模型中，夸克有三種味，分別是上、下及奇，他們把電荷及自旋等性質都歸因於這些味。初時物理學界對於這份提案的意見不一。當時學界對於夸克的本質有所爭論，一方認為夸克是物理實體，另一方則認為，它只是用來解釋當時未明物理的抽象概念而已。
在一年之內，就有人提出了蓋爾曼－茨威格模型的延伸方案。謝爾登·李·格拉肖和詹姆斯·布約肯（James Bjorken）預測有第四種夸克存在，他們把它叫做「魅」。加上第四種夸克的原因有三：一、能更好地描述弱交互作用（導致夸克衰變的機制）；二、夸克的數量會變得與當時已知的輕子數量一樣；三、能產生一條質量方程式，可以計算出已知介子的質量。
史丹佛線性加速器中心（SLAC）深度非彈性散射實驗在1968年指出，質子含有比自己小得多的點狀物，因此質子並非基本粒子。物理學家當時並不願意把這些物體視為夸克，反而叫它們做「成子」（parton）——一個由理察·費曼所創造的新詞隨著更多味的發現，在SLAC所觀測到的粒子後來被鑑定為上及下夸克。不過，「成子」一詞到現在還在使用，是重子構成物（夸克、反夸克和膠子）的總稱。
奇夸克的存在由SLAC的散射實驗間接證實：奇夸克不但是蓋爾曼和茨威格三夸克模型的必要部份，而且還解釋到1947年從宇宙射線中發現的K和π強子。
在1971年的一份論文中，格拉肖、約翰·李爾普羅斯和盧奇亞諾·馬伊阿尼（Luciano Maiani）一起對當時尚未發現的魅夸克，提出更多它存在的理據。到1973年，小林誠和益川敏英指出再加一對夸克，就能解釋實驗中觀測到的CP破壞，於是夸克應有的味被提昇到現時的六種。
魅夸克在1974年被兩個研究小組幾乎同時發現（見十一月革命）——一組在SLAC，由伯頓·里克特領導；而另一組則在布魯克哈芬國家實驗室，由丁肇中領導。觀測到的魅夸克在介子裏面，與一個反魅夸克束縛（Bound state）在一起。兩組分別為這種介子起了不同的名子：J及ψ；因此這種粒子的正式名子叫J/ψ介子。這個發現終於使物理學界相信夸克模型是正確的。
在之後的幾年，有一些把夸克數量增至六個的提案。其中，以色列物理學家哈伊姆·哈拉里（Haim Harari）在1975年的論文中，最早把加上的夸克命名為「頂」及「底」。
底夸克在1977年被利昂·萊德曼領導的費米實驗室研究小組觀測到。這是一個代表頂夸克存在的有力徵兆：沒有頂夸克的話，底夸克就沒有伴侶。然而一直都沒有觀測到頂夸克，直至1995年，終於被費米實驗室的CDF及DØ小組觀測到。它的質量比之前預料的要大得多——幾乎跟金原子一樣重。

電荷

夸克的電荷值為分數——基本電荷的−¹⁄₃倍或+²⁄₃倍，隨味而定。上、魅及頂夸克（這三種叫「上型夸克」）的電荷為+²⁄₃，而下、奇及底夸克（這三種叫「下型夸克」）的則為−¹⁄₃。反夸克與其所對應的夸克電荷相反；上型反夸克的電荷為−²⁄₃，而下型反夸克的電荷則為+¹⁄₃。由於強子的電荷，為組成它的夸克的電荷總和，所以所有強子的電荷均為整數：三個夸克的組合（重子）、三個反夸克（反重子），或一個夸克配一個反夸克（介子），加起來電荷值都是整數。例如，組成原子核的強子，中子和質子，其電荷分別為0及+1；中子由兩個下夸克和一個上夸克組成，而質子則由兩個上夸克和一個下夸克組成。

自旋

自旋是基本粒子的一種內在特性，它的方向是一項重要的自由度。在視像化時，有時它會被視為一沿著自己中軸轉動的物體（所以名叫「自旋」）。
自旋可以用向量來代表，其長度可用約化普朗克常數ħ來量度。量度夸克時，在任何軸上量度自旋的向量分量，結果皆為+ħ/2或−ħ/2；因此夸克是一種自旋¹⁄₂粒子。沿某一軸（慣例上為z軸）上的旋轉分量，一般用上箭頭↑來代表+¹⁄₂，下箭頭↓來代表−¹⁄₂，然後在後加上味的符號。例如，一自旋為+¹⁄₂的上夸克可被寫成u↑。

強交互作用與色荷

夸克有一種叫「色荷」的性質。色荷共分三種，可任意標示為「藍」、「綠」及「紅」每一種色荷都有其對應的反色荷——「反藍」、「反綠」及「反紅」。每一個夸克都帶一種色，而每一個反夸克則帶一種反色。
掌管夸克間吸引及排斥的系統，是由三種色的各種不同組合所負責，叫強交互作用，它是由一種叫膠子的規範玻色子所傳遞的；下文中有關於膠子更詳細的討論。描述強交互作用的理論叫量子色動力學（QCD）。一個帶某色荷的夸克，可以和一個帶對應反色荷的反夸克，一起生成一束縛系統；三個（反）色荷各異的（反）夸克，也就是三種色每種一個，同樣也可以束縛在一起。兩個互相吸引的夸克會達至色中性：一夸克帶色荷ξ，加上一個帶色荷−ξ的反夸克，結合後色荷為零（或「白」色），成為一個介子。跟基本光學的顏色疊加一樣，把三個色荷互不相同的夸克或三個這樣的反夸克組合在一起，就會同樣地得到「白」的色荷，成為一個重子或反重子。
在現代粒子物理學中，聯繫粒子交互作用的，是一種叫規範對稱的空間對稱群（見規範場論）。色荷SU(3)（一般簡寫成SU(3)c）是夸克色荷的規範對稱，也是量子色動力學的定義對稱}。物理學定律不受空間的方向（如x、y及z）所限，即使座標軸旋轉到一個新方向，定律依然不變，量子色動力學的物理也一樣，不受三維色空間的方向影響，色空間的三個方向分別為藍、紅和綠。SU(3)c的色變與色空間的「旋轉」相對應（數學上，色空間是複數空間）。每一種夸克味，f，下面都有三種小分類fB、fG和fR，對應三種夸克色藍、綠和紅，形成一個三重態：一股有三個分量的量子場，並且在變換時遵從SU(3)c的基本表示。這個時候SU(3)c應是局部的，這個要求換句話說，就是容許變換隨空間及時間而定，所以說這個局部表示決定了強交互作用的性質，尤其是有八種載力用膠子這一點。

質量

在提及夸克質量時，需要用到兩個詞：一個是「淨夸克質量」，也就是夸克本身的質量；另一個是「組夸克質量」，也就是淨夸克質量加上其周圍膠子場的質量。這兩個質量的數值一般相差甚遠。一個強子中的大部份的質量，都屬於把夸克束縛起來的膠子，而不是夸克本身。儘管膠子的內在質量為零，它們擁有能量——更準確地，應為量子色動力學束縛能（QCBE）——就是它為強子提供了這麼多的質量（見狹義相對論中的質量）。例如，一個質子的質量約為938 MeV/c²，其中三個價夸克大概只有11 MeV/c²；其餘大部份質量都可以歸咎於膠子的QCBE。
標準模型假定所有基本粒子的質量，都是來自希格斯機制，而這個機制跟希格斯玻色子有關係。頂夸克有著很大的質量，一個頂夸克大約跟一個金原子核一樣重（~171 GeV/c²），而透過研究為甚麼頂夸克的質量那麼大，物理學家希望能找到更多有關於夸克，及其他基本粒子的質量來源。

交互作用中的夸克

就像量子色動力學所描述的，夸克間的強交互作用由膠子傳遞，膠子是無質量的向量規範玻色子。每一個膠子帶有一種色及一種反色。在粒子交互作用的標準框架下（它是通用表述微擾理論的一部份），膠子通過發射與吸收虛粒子，不斷在夸克間進行交換。當膠子在夸克間轉換時，兩者的色荷都會改變；例如一紅夸克在發射出一紅－反綠膠子後，它就會變成綠夸克，又例如一綠夸克在吸收了一紅－反綠膠子，它就會變成紅夸克。因此，儘管夸克的色不斷在變，但是它們間的強交互作用是維持著的。
由於膠子帶色荷，所以它們自己能發射及吸收其他膠子。因此導致「漸近自由」：當兩個夸克間的距離愈來愈近時，它們之間的色動束縛力就愈來愈弱。相反地，當夸克間的距離愈來愈遠時，束縛力就愈來愈強。色場開始受到「應力」影響而不穩定，就像橡皮筋拉長時受應力影響而快斷開一樣，於是色場就會自發地生成許多合適色荷的膠子，來強化色場。當能量過了一個底限時，就會開始生成夸克和反夸克對。這些對與分離中的夸克束縛在一起，形成新的強子。這個現象叫「夸克禁閉」：夸克不能單獨存在 。夸克在高能碰撞中生成後，在能與其他夸克作出任何交互作用之前，就會發生強子化這個過程。唯一的例外是頂夸克，因為它會在強子化前先衰變。

海夸克

除影響量子數的價夸克（(q
v）之外，強子也含有虛夸克－反夸克對（qq），這些對粒子叫「海夸克」（q
s）。當強子色場的膠子分裂時，就會產生海夸克；以上過程的逆過程也會發生，當兩個海夸克湮滅時，會產生一個膠子。於是膠子就會持續地分裂與生成，形成所謂的「海」。海夸克比價夸克不穩定得多，它們一般會在強子內部互相湮滅。儘管如此，海夸克在某些情況下還是會強子化，形成重子或介子類的粒子。

夸克物質的其他相

在足夠極端的條件下，夸克可能會脫離禁閉，成為自由粒子。在漸近自由的演變下，高溫時的強交互作用變得較弱。最後，色禁閉會失效，形成一股超熱電漿體，由自由移動的夸克與膠子組成。這種物質的理論相叫夸克－膠子漿。需要達到這個相的確切條件，現時仍是未知，但這方面一直都有不少的推測及實驗。溫度需求的近期估計為(1.90±0.02)×10¹² 克耳文。雖然夸克及膠子的完全自由態從未被實現（儘管歐洲核子研究組織在1980年代至90年代間嘗試過許多次），但是在相對論性重離子對撞機的近期實驗中，有證據指出像液體的夸克物質，能展示出「近乎完美」的流體運動。
夸克－膠子漿的特點是，相對於上及下夸克對的數量，重夸克對的數量大幅提昇。宇宙學家們相信，在大霹靂後10⁻⁶秒之前（夸克時期），宇宙裏充滿著這種夸克－膠子漿，因為當時的溫度實在太高，重子會不穩定。
當重子密度足夠高時，且溫度相對地低——大概可以跟中子星相比的條件——根據理論預測，夸克物質會退化成一弱作用夸克的費米液體。這種液體的特點是，它是由帶色夸克的庫珀對凝聚而成的，因此會對局部SU(3)c對稱性造成破缺。由於庫珀對含有色荷，所以這樣的一種夸克物質相，叫色超導體，此時色荷能夠在無色阻的情況下通過。