夸克

夸克（quark）是一种基本粒子，也是构成物质的基本单元。当夸克互相结合，形成一种复合粒子，叫强子，强子中最稳定的是质子和中子，它们是构成原子核的单元。由于一种叫“夸克禁闭”的现象，夸克不能够直接被观测到，或是被分离出来；只能够在强子里面找到夸克。因此，人类对夸克的所知大多都是来自对强子的观测。

目前已知夸克 有六种“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、顶夸克 (t)/top。上夸克及下夸克的质量是所有夸克中最低的。较重的夸克会通过一个叫粒子衰变的过程，来迅速地变成上夸克或下夸克。粒子衰变是一个从高质量态变成低质量态的过程，因此，上夸克及下夸克一般来说很稳定，所以它们在宇宙中很常见，而奇夸克、魅夸克、顶夸克及底夸克则只经由高能粒子的碰撞产生（例如宇宙射线及粒子加速器）。

夸克有着多种不同的内在特性，包括电荷、色荷、自旋及质量等。在标准模型中，夸克是唯一一种能经受全部4种基本相互作用的基本粒子，基本相互作用有时会被称为“基本力”（电磁相互作用力、万有引力、强相互作用力及弱相互作用力）。夸克亦是现今已知唯一的一种基本电荷非整数的粒子。夸克每一种味都有一种对应的反粒子，叫反夸克，它跟夸克的不同之处，只在于它的一些特性跟夸克大小一样但正负不同。

夸克模型分别由默里·盖尔曼与乔治·茨威格于1964年独立地提出。引入夸克这一概念，是为了能更好地整理各种强子，而当时并没有能证实夸克存在的物理证据，直到1968年SLAC开发出深度非弹性散射实验为止。夸克的六种味已经全部被加速器实验所观测到；而于1995年在费米实验室被观测到的顶夸克，是最后发现的一种。

## 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（quark）：u（up quark）、d（down quark）、s（strange quark）、c（charm quark）、b（bottom quark）及t（top quark）。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Up antiquark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，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（quarkquarkantiquarkantiquark）及五夸克粒子（quarkquarkquarkquarkantiquark），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。第一代有上夸克及下夸克，第二代有奇夸克及魅夸克，而第三代则有顶夸克及底夸克。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

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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（上夸克及下夸克）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，科学家们相信大霹雳后，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重力理论，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

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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点：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。

史丹佛线性加速器中心（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“部分子”（parton）——一个由理查德·费曼所创造的新词随着更多的发现，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Kaon和Pion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魅夸克，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。

魅夸克在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哈芬国家实验室，由丁肇中领导。观测到的魅夸克在介子里面，与一个反魅夸克束缚（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字叫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费米实验室对撞机探测器及D0实验小组观测到。它的质量比之前预料的要大得多——几乎跟金原子一样重。

### 命名

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《芬尼根的守灵夜》里面找到“夸克”这个词：

给马斯特·马克来三个夸克！

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部分命名为“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《芬尼根的守灵夜》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。上及下夸克被这样叫，是源于同位旋的上及下分量，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。跟布约肯一起提出魅夸克的格拉肖说过：“我们把它叫魅夸克，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，哈拉里决定这样做，是因为“它们是上及下夸克逻辑上的伙伴”。在过往，底夸克及顶夸克有时会分别被叫作“美”及“真”夸克，但这两个名字现在已经很少人会用。

## 性质

### 电荷

夸克的电荷值为分数——基本电荷的−1倍或+2倍，随味而定。上夸克、魅夸克及顶夸克（这三种叫“上型夸克”）的电荷为+2，而下夸克、奇夸克及底夸克（这三种叫“下型夸克”）的则为−1。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，而下型反夸克的电荷则为+1。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”）。

自旋可以用向量来代表，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向量分量，结果皆为+ħ/2或−ħ/2；因此夸克是一种自旋1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，下箭头↓来代表−1，然后在后加上味的符号。例如，一自旋为+1的上夸克可被写成u↑。

### 弱相互作用

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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。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，一中子（neutron）“分裂”成一质子（proton）、一电子（electron）以及一反电中微子（electron antineutrino）（见右图）。在β衰变发生时，中子（up quarkdown quarkdown quark）内的一下夸克在释放一虚W boson-玻色子后，随即衰变成一上夸克，于是中子就变成了质子（up quarkup quarkdown quark）。随后W boson-玻色子衰变成一电子及一反电中微子。

Neutron｜→｜ Proton｜+｜electron｜+｜electron antineutrino｜（β衰变，重子标记）

up quarkdown quarkdown quark｜→｜up quarkup quarkdown quark｜+｜electron｜+｜electron antineutrino｜（β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。

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尽管所有夸克的变味过程都一样，每一种夸克都偏向于变成跟自己同一代的另一夸克。所有味变的这种相对趋势，都是由一个数学表来描述，叫卡比博-小林-益川矩阵（CKM矩阵）。CKM矩阵内所有数值的大约大小如下：

$\begin{bmatrix} |V_\mathrm {ud}| & |V_\mathrm {us}| & |V_\mathrm {ub}| \\ |V_\mathrm {cd}| & |V_\mathrm {cs}| & |V_\mathrm {cb}| \\ |V_\mathrm {td}| & |V_\mathrm {ts}| & |V_\mathrm {tb}| \end{bmatrix} \approx \begin{bmatrix} 0.974 & 0.225 & 0.003 \\ 0.225 & 0.973 & 0.041 \\ 0.009 & 0.040 & 0.999 \end{bmatrix}$。

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-牧-中川-坂田矩阵（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。

### 强相互作用与色荷

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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，即使座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。

### 性质列表

下表总结了六种夸克的关键性质。每种夸克味都有自己的一组味量子数（同位旋（I3）、魅数（C）、奇异数（S）、顶数（T）及底数（B′）），它们代表着夸克系统及强子的一些特性。因为重子由三个夸克组成，所以所有夸克的重子数（B）均为+1。反夸克的话，电荷（Q）及其他味量子数（B、I3、C、S、T及B′）都跟夸克的差一个正负号。质量和总角动量（J；相等于点粒子的自旋）不会因为反粒子而变号。

夸克按其特性分为三代，如下表所示：

名称｜符号｜质量（MeV/c2）、｜J｜B｜Q｜I3｜C｜S｜T｜B′｜反粒子｜反粒子符号

第一代｜上｜Up quark｜1.7 to 3.3｜1｜+1｜+2｜+1｜0｜0｜0｜0｜反上｜Up antiquark

下｜Down quark｜4.1 to 5.8｜1｜+1｜−1｜−1｜0｜0｜0｜0｜反下｜Down antiquark

下一代

第二代｜粲｜Charm quark｜1270+70｜1｜+1｜+2｜0｜+1｜0｜0｜0｜反粲｜Charm antiquark

奇｜Strange quark｜101+29｜1｜+1｜−1｜0｜0｜−1｜0｜0｜反奇｜Strange antiquark

下一代

第三代｜顶｜Top quark｜172000900 ±1,300 ｜1｜+1｜+2｜0｜0｜0｜+1｜0｜反顶｜Top antiquark

底｜Bottom quark｜4190+180｜1｜+1｜−1｜0｜0｜0｜0｜−1｜反底｜Bottom antiquark

J = 总角动量、B = 重子数、Q = 电荷、I3 = 同位旋, C = 魅数、S = 奇异数、T = 顶数及B′ = 底数。* 像4190+180 这样的标记代表量测不确定度。以顶夸克为例，第一个不确定度是自然中的随机，第二个是系统的。

注：每一味夸克都具有红、绿及蓝三种色的版本，但对上表所列的性质而言，三种版本都一样，故不列出。

## 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，胶子是无质量的向量玻色子规范玻色子。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（它是通用表述微扰理论的一部分），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（(valence quark）之外，强子也含有虚夸克－反夸克对（quarkantiquark），这些对粒子叫“海夸克”（sea quark）。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

u、d、c、s、t、b）
- 组成：基本粒子
- 系：费米子
- 代：第一代、第二代及第三代
- interaction：电磁力、重力、强及弱
- 反粒子：反夸克 (q)
- 理论：默里·盖尔曼 (1964年)、乔治·茨威格 (1964年)
- 发现：史丹佛线性加速器中心、(约1968年)
- 符号：q
- electric_charge：+2 e, −1 e
- 色荷：有
- CASNo：12585-73-8
- CASNo_ref：correct