Quark
Lịch sử

Mô hình quark đã được hai nhà vật lý Murray Gell-Mann
và George Zweig đề xuất một cách độc lập vào năm 1964. Đề xuất được đưa ra ngay sau khi Gell-Mann đưa ra công thức của hệ thống phân loại hạt còn gọi là Bát Chính Đạo năm 1961—hay, theo thuật ngữ vật lý, đối xứng vị SU(3). Nhà vật lý người Israel Yuval Ne'eman đã độc lập phát triển một biểu đồ tương tự với Bát Chính Đạo trong cùng năm này.
Tại thời điểm ban đầu của lý thuyết quark, khái niệm "vườn hạt" đã được đưa ra, để bao gồm các hạt khác, kể cả các hadron. Gell-Mann và Zweig khẳng định rằng chúng không phải là các hạt cơ bản, thay vào đó là tổ hợp thành phần của các quark và các phản quark. Mô hình của họ bao gồm ba vị của quark – lên u, xuống d, và lạ s –và họ quy cho chúng các tính chất như spin và điện tích. Phản ứng ban đầu của cộng đồng vật lý đối với giả thiết này là lẫn lộn. Đã có sự tranh cãi đặc biệt về liệu các quark là một thực thể vật lý hay chỉ là một sự trừu tượng để dùng giải thích các khái niệm mà không được hiểu một cách thông thường tại thời điểm đó.
Chỉ trong ít năm sau, sự mở rộng mô hình Gell-Mann – Zweig đã được đề xuất. Sheldon Lee Glashow và James Bjorken đã tiên đoán sự tồn tại của vị quark thứ tư, mà họ gọi là duyên. Đề xuất này được thêm vào bởi vì nó cho phép một cách miêu tả tốt hơn tương tác yếu (cơ chế cho phép các quark bị phân rã), làm cân bằng số các quark đã biết với số các lepton đã biết, và hàm ý một công thức khối lượng làm sửa lại một cách chính xác khối lượng của các meson trước đó.
Năm 1968, các thí nghiệm tán xạ phi đàn hồi sâu tại Trung tâm Máy gia tốc tuyến tính Stanford (SLAC) cho thấy proton chứa các thành phần nhỏ hơn, các hạt giống như điểm và chứng tỏ proton không phải là một hạt cơ bản. Các nhà vật lý đã không sẵn sàng đồng nhất các hạt này với các quark tại thời điểm đó, thay vào đó họ gọi chúng là "các parton" – một thuật ngữ do Richard Feynman đưa ra. Các hạt được quan sát tại SLAC sau đó được đồng nhất với các quark lên u và quark xuống d, và nhiều quark (hương) sau đó đã được khám phá ra. Tuy thế, "parton" vẫn còn được sử dụng là một thuật ngữ chung cho các thành phần của các hadron (quark, phản quark, và gluon).
Sự tồn tại của quark lạ s đã được xác nhận một cách gián tiếp trong thí nghiệm tán xạ ở SLAC: không chỉ là một thành phần cần thiết trong mô hình 3 quark của Gell-Mann và Zweig, nó cũng cung cấp một cách giải thích cho các hadron kaon (K) và pion (π) đã được khám phá ra trong các tia vũ trụ năm 1947.
Trong một bài báo năm 1970, Glashow, John Iliopoulos và Luciano Maiani trình bày một lý do sâu hơn cho sự tồn tại của hạt quark duyên chưa được khám phá. Số các hương quark được đề xuất tăng lên đến 6 vào năm 1973, khi Makoto Kobayashi và Toshihide Maskawa chú ý rằng các quan sát thực nghiệm trong vi phạm CP có thể được giải thích nếu tồn tại một cặp quark khác.
Các quark duyên đã được tạo ra hầu như đồng thời bởi hai nhóm nhà khoa học vào tháng 11 năm 1974 (xem Cuộc Cách mạng tháng Mười một)—một tại SLAC dưới sự lãnh đạo của Burton Richter, và một tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven dưới sự lãnh đạo của Samuel Ting. Quark duyên đã được quan sát khi nó liên kết với phản quark duyên trong các meson. Hai nhóm nhà khoa học đã đặt tên cho meson được khám phá ra với hai ký hiệu khác nhau, J và ψ; do đó nó thường được biết đến với tên gọi meson J/ψ. Sự khám phá cuối cùng đã thuyết phục được cộng đồng các nhà vật lý rằng mô hình quark là đúng đắn.
Trong những năm sau, đã xuất hiện một số các đề nghị cho sự mở rộng mô hình quark lên tới 6 quark. Một trong số này, Haim Harari đăng bài báo năm 1975 trong đó lần đầu tiên ông đề cập đến thuật ngữ quark đỉnh và quark đáy.
Năm 1977, quark đáy được quan sát bởi một đội các nhà khoa học tại Fermilab đứng đầu bởi Leon Lederman. Đây là một dấu hiệu mạnh cho sự tồn tại của quark đỉnh: nếu không có quark đỉnh, quark đáy sẽ không có đối tác của nó. Tuy vậy, cho đến tận năm 1995 thì quark đỉnh mới được quan sát, cũng bởi Máy dò Va chạm tại Fermilab (CDF) và DØ bởi các nhà khoa học tại Fermilab. Quark đỉnh có khối lượng lớn hơn so với giá trị suy đoán trước đó—nặng tương đương, thậm chí hơn cả nguyên tử vàng.