夸克

夸克（）物理学名词审定委员会．物理学名词 [S/OL]．全国科学技术名词审定委员会,公布. 3版．北京：科学出版社, 2019: 349. 科学文库 .是一種基本粒子，也是構成物質的基本單元。當夸克互相結合，形成一種複合粒子，叫強子，強子中最穩定的是質子和中子，它們是構成原子核的單元。由於一種叫“夸克禁閉”的現象，夸克不能夠直接被觀測到，或是被分離出來；只能夠在強子裏面找到夸克。因此，人類對夸克的所知大多都是來自對強子的觀測。

目前已知夸克 有六種“味” (flavour)：上夸克(u)/ up、下夸克(d)/down、魅(粲)夸克(c)/charm、奇夸克(s)/strange、底夸克(b)/bottom、 頂夸克 (t)/top 。上夸克及下夸克的質量是所有夸克中最低的。較重的夸克會通過一個叫粒子衰變的過程，來迅速地變成上夸克或下夸克。粒子衰變是一個從高質量態變成低質量態的過程，因此，上夸克及下夸克一般來說很穩定，所以它們在宇宙中很常見，而奇夸克、魅夸克、頂夸克及底夸克則只經由高能粒子的碰撞產生（例如宇宙射線及粒子加速器）。

夸克有着多種不同的內在特性，包括電荷、色荷、自旋及質量等。在標準模型中，夸克是唯一一種能經受全部4種基本相互作用的基本粒子，基本相互作用有時會被稱為“基本力”（電磁相互作用力、萬有引力、強相互作用力及弱相互作用力）。夸克亦是現今已知唯一的一種基本電荷非整數的粒子。夸克每一種味都有一種對應的反粒子，叫反夸克，它跟夸克的不同之處，只在於它的一些特性跟夸克大小一樣但正負不同。

夸克模型分別由默里·蓋爾曼與喬治·茨威格於1964年獨立地提出。引入夸克這一概念，是為了能更好地整理各種強子，而當時並沒有能證實夸克存在的物理證據，直到1968年SLAC開發出實驗為止。夸克的六種味已經全部被加速器實驗所觀測到；而於1995年在費米實驗室被觀測到的頂夸克，是最後發現的一種。

 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（）：-{zh-tw:上;zh-cn:u}-（）、-{zh-tw:下;zh-cn:d}-（）、-{zh-tw:奇;zh-cn:s}-（）、-{zh-tw:魅;zh-cn:c}-（）、-{zh-tw:底;zh-cn:b}-（）及-{zh-tw:頂;zh-cn: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，例如代表反上夸克。跟一般反物質一樣，反夸克跟對應的夸克有着相同的質量、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，因此根據自旋統計定理，它們是費米子。它們遵守泡利不相容原理，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，因此它們會參與強相互作用。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”（見下文強相互作用與色荷部份）。

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Section 6.1. in。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（）及五夸克粒子（），目前仍在理論階段，它們的存在仍未被證實2000年代初，有幾個研究小組聲稱，已證實了四夸克粒子與五夸克粒子的存在。儘管四夸克粒子的情況目前仍在爭論中，但是所有五夸克候選粒子都已被證實不存在。  。

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。第一代有上夸克及下夸克，第二代有奇夸克及魅夸克，而第三代則有頂夸克及底夸克。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主要證據是基於玻色子的共振寬度，它限制了第四代中微子的質量，此時質量需要大於~。與其他三代的中微子相比，它們的質量不高於，可見兩者形成非常大的對比。 
 。代數較高的粒子，一般會有較大的質量及較低的穩定性，於是它們會通過弱相互作用，衰變成代數較低的粒子。在自然中，只有第一代夸克（上夸克及下夸克）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相互作用的已知粒子，這四種作用為：電磁、重力、強相互作用及弱相互作用。對於個別粒子的相互作用而言，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 Original: 。以色列物理學家（Yuval Ne'eman），在同年亦獨立地開發出一套跟八重道相近的理論Original 。

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（James Bjorken）預測有第四種夸克存在，他們把它叫做“-{zh-tw:魅;zh-cn:粲}-”。加上第四種夸克的原因有三點：一、能更好地描述弱相互作用（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，可以計算出已知介子的質量。

史丹佛線性加速器中心（SLAC）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“部分子”（parton）——一個由理查德·費曼所創造的新詞隨着更多的發現，在SLAC所觀測到的粒子後來被鑑定為上及下夸克。不過，“部分子”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和強子。

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破壞在弱相互作用下的一個反應中，當左右被逆轉（P對稱），且粒子被換成反粒子（C對稱）後，CP破壞會使這個反應的前後不一樣。，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字叫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（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及小組觀測到。它的質量比之前預料的要大得多——幾乎跟金原子一樣重。

 命名 
蓋爾曼原本想用鴨的叫聲來命名夸克。開始時他並不太確定自己這個新詞的實際拼法，直到他在詹姆斯·喬伊斯小說《芬尼根的守灵夜》裏面找到“夸克”這個詞：

蓋爾曼在其著作《》中，更詳細地述說了夸克這個詞的由來：

茨威格則用“埃斯”（Ace）來稱呼他所理論化的粒子，但是在夸克模型被廣泛接納時，蓋爾曼的用詞就變得很有名。很多中国物理学家则称夸克为“层子”，在台灣亦曾翻譯「虧子」，但並不普遍使用。

夸克味的命名都是有原因的。上及下夸克被這樣叫，是源於同位旋的上及下分量，而它們確實各自帶有這樣一個量。奇夸克這個名字，是因為它們是在宇宙射線的奇異粒子中被發現的，發現奇異粒子的時候還沒有夸克理論；它們被視為“奇異”，是因為它們的壽命不尋常地長。跟布約肯一起提出魅夸克的格拉肖說過：“我們把它叫魅夸克，是因為在構建它的過程中，見到它為亞原子世界所帶來的對稱，我們被這種美迷住了，對成果感到很滿意。”至於“頂”和“底”這兩個名字，哈拉里決定這樣做，是因為“它們是上及下夸克邏輯上的伙伴”。在過往，底夸克及頂夸克有時會分別被叫作“美”及“真”夸克，但這兩個名字現在已經很少人會用。

 性質 
 電荷 

夸克的電荷值為分數——基本電荷的−倍或+倍，隨味而定。上夸克、魅夸克及頂夸克（這三種叫“上型夸克”）的電荷為+，而下夸克、奇夸克及底夸克（這三種叫“下型夸克”）的則為−。反夸克與其所對應的夸克電荷相反；上型反夸克的電荷為−，而下型反夸克的電荷則為+。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着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+，下箭頭↓來代表−，然後在後加上味的符號。例如，一自旋為+的上夸克可被寫成u↑。

 弱相互作用 

夸克只能通過弱相互作用，由一種味轉變成另一種味，弱相互作用是粒子物理學的四種基本相互作用之一。任何上型的夸克（上、-{zh-tw:魅;zh-cn:粲}-及頂夸克），都可以通過吸收或釋放一W玻色子，而變成下型的夸克（下、奇及底夸克），反之亦然。這種變味機制正是導致β衰變這種放射過程的原因，在β衰變中，一中子（）“分裂”成一質子（）、一電子（）以及一反電中微子（）（見右圖）。在β衰變發生時，中子（）內的一下夸克在釋放一虛玻色子後，隨即衰變成一上夸克，於是中子就變成了質子（）。隨後玻色子衰變成一電子及一反電中微子。

    →     +  +   （β衰變，重子標記）   →   +  +   （β衰變，夸克標記）

β衰變及其逆過程“逆β過程”在醫學上都有常規性的應用，例如正電子發射計算機斷層掃描。這兩個過程在高能實驗中也有應用，例如中微子探測。

儘管所有夸克的變味過程都一樣，每一種夸克都偏向於變成跟自己同一代的另一夸克。所有味變的這種相對趨勢，都是由一個數學表來描述，叫卡比博-小林-益川矩陣（CKM矩陣）。CKM矩陣內所有數值的大約大小如下：
，
其中Vij 代表一夸克味i 變成夸克味j（反之亦然）的可能性從一夸克衰變至另一夸克的實際概率，是一個包含衰變夸克質量、衰變產物質量及對應CKM矩陣元等變數的複雜函數。該概率與CKM矩陣對應項(|Vij|2) 的平方成正比（但不相等）。。

輕子（上圖β衰變中在W玻色子右邊的粒子）也有一個等效的弱相互作用矩陣，叫龐蒂科夫-牧-中川-坂田矩陣（PMNS矩陣）。PMNS矩陣及CKM矩陣合起來能夠描述所有味變，但兩者間的關係並不明朗。

 強相互作用與色荷 

-{|zh-hans:right|thumb|不论种类，强子的总色荷为零。
zh-hantright|thumb|不論種類，強子的總色荷為零。
}-
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”儘管名字中有顏色，色荷跟可見光的色譜並沒有關係。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，叫強相互作用，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。描述強相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，聯繫粒子相互作用的，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）。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相互作用的性質，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“質量”，也就是夸克本身的質量；另一個是“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。頂夸克有着很大的質量，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。

 性質列表 

下表總結了六種夸克的關鍵性質。每種夸克味都有自己的一組味量子數（同位旋（I3）、魅數（C）、奇異數（S）、頂數（T）及底數（B′）），它們代表着夸克系統及強子的一些特性。因為重子由三個夸克組成，所以所有夸克的重子數（B）均為+。反夸克的話，電荷（Q）及其他味量子數（B、I3、C、S、T及B′）都跟夸克的差一個正負號。質量和總角動量（J；相等於點粒子的自旋）不會因為反粒子而變號。

夸克按其特性分为三代，如下表所示：

+夸克味的性質 名稱 符號 質量（MeV/c2）*JBQI3CSTB′ 反粒子 反粒子符號第一代 上 1.7 to 3.3  +  +  + 0 0 0 0 反上 下  4.1 to 5.8  + − − 0 0 0 0 反下 下一代第二代 -{zh-tw:魅;zh-cn:粲}-    + + 0 +1 0 0 0 反-{zh-tw:魅;zh-cn:粲}-  奇    + − 0 0 −1 0 0 反奇 下一代第三代 頂    ±1,300   + + 0 0 0 +1 0 反頂  底    + − 0 0 0 0 −1 反底 
J = 總角動量、B = 重子數、Q = 電荷、I3 = 同位旋, C = 魅數、S = 奇異數、T = 頂數及B′ = 底數。* 像 這樣的標記代表量測不確定度。以頂夸克為例，第一個不確定度是自然中的隨機，第二個是系統的。

註：每一味夸克都具有紅、綠及藍三種色的版本，但對上表所列的性質而言，三種版本都一樣，故不列出。

 相互作用中的夸克 

就像量子色動力學所描述的，夸克間的強相互作用由膠子傳遞，膠子是無質量的規範玻色子。每一個膠子帶有一種色及一種反色。在粒子相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，但是它們間的強相互作用是維持着的。

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相互作用之前，就會發生這個過程。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（(）之外，強子也含有虛夸克－反夸克對（），這些對粒子叫“海夸克”（）。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 
-{zh-hans:right|thumb|300px|夸克物质的性质描述相图。图中准确的细节，仍是进行中的研究课题。;zh-hk:right|thumb|300px|夸克物質的性質描述相圖。圖中準確的細節，仍是進行中的研究課題。;zh-tw:right|thumb|300px|夸克物質的性質描述相圖。圖中準確的細節，仍是進行中的研究課題。}-

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，高溫時的強相互作用變得較弱。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 開爾文。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），宇宙裏充滿着這種夸克－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，此時色荷能夠在無色阻的情況下通過。

 另見 

 夸克星
 奇異夸克團
毛粒子

 註解 

 參考資料 

 外部链接 

 默里·蓋爾曼於1969年的諾貝爾物理學奬學術演講
 伯頓·里克特於1969年的諾貝爾物理學奬學術演講
 丁肇中於1969年的諾貝爾物理學奬學術演講
 小林誠於2008年的諾貝爾物理學奬學術演講
 益川敏英於2008年的諾貝爾物理學奬學術演講
 夸克之舞
 頂夸克與希格斯玻色子，T·A·賀本海默著 —— CERN計量夸克代的實驗描述

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