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夸克

Wikipedia · 2026-07-25 维基百科 👁 1 阅读

{{Infobox Particle
| bgcolour =
| name = 夸克
| image =
| caption = 由二個上夸克及一個下夸克所構成的質子
| num_types = 6種
（u}-、d}-、c}-、s}-、t}-、b}-）
| composition = 基本粒子
| family = 費米子
| group =
| generation = 第一代、第二代及第三代
| interaction = 電磁力、重力、強及弱
| particle =
| antiparticle = 反夸克 (q)
| theorized = 默里·蓋爾曼 (1964年)
喬治·茨威格 (1964年)
| discovered = 史丹佛線性加速器中心
(約1968年)
| symbol = q
| baryon number =
| mass =
| decay_time =
| decay_particle =
| electric_charge = + e, − e
| color_charge = 有
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| num_spin_states =
| CASNo = 12585-73-8
| CASNo_ref =
}}

夸克（）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。此模型包含六種味的夸克（）：u}-（）、d}-（）、s}-（）、c}-（）、b}-（）及t}-（）。

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。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。

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。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和喬治·茨威格（George Zweig）獨立提出。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。

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。

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，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。

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。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。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
的費曼圖，時間箭頭向上。CKM矩陣（詳見下文）包含了β及其他夸克衰變的發生概率。|替代=]]
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：
:
\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 變成夸克味j（反之亦然）的可能性。

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
-
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。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:。图中准确的细节，仍是进行中的研究课题。]];zh-hk:。圖中準確的細節，仍是進行中的研究課題。]];zh-tw:。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

#基本物理概念 #轻子 #基本粒子 #亚原子粒子 #费米子 #夸克

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