夸克

夸克（Quark）是1964年，美國(guó)物理學(xué)家默里·蓋爾曼和G.茨威格各自獨(dú)立提出的。他們認(rèn)為中子、質(zhì)子這一類強(qiáng)子是由更基本的單元——夸克組成的。一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)反質(zhì)子在高能下碰撞，就會(huì)產(chǎn)生一對(duì)幾乎自由的夸克。它們具有分?jǐn)?shù)電荷，是基本電量的2/3或-1/3倍，自旋為1/2。

夸克一詞是蓋爾曼取自詹姆斯·喬埃斯的小說(shuō)《芬尼根徹夜祭》的詞句“為馬克檢閱者王，三聲夸克（Three quarks for Muster Mark）”?？淇嗽谠摃芯哂卸喾N含義，其中之一是一種海鳥的叫聲。默里·蓋爾曼認(rèn)為，這適合他最初認(rèn)為“基本粒子不基本、基本電荷非整數(shù)”的奇特想法，同時(shí)他也指出這只是一個(gè)笑話，這是對(duì)矯飾的科學(xué)語(yǔ)言的反抗。另外，也可能是出于他對(duì)鳥類的喜愛。

夸克

19世紀(jì)接近尾聲的時(shí)候，瑪麗·居里打開了原子的大門，證明原子不是物質(zhì)的最小粒子。很快科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了兩種亞原子粒子：電子和質(zhì)子。1932年，詹姆斯·查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，這次科學(xué)家們又認(rèn)為發(fā)現(xiàn)了最小粒子。

20世紀(jì)30年代中期發(fā)明了粒子加速器，科學(xué)家們能夠把中子打碎成質(zhì)子，把質(zhì)子打碎成為更重的核子，觀察碰撞到底能產(chǎn)生什么。20世紀(jì)50年代，唐納德·格拉澤（Donald Glaser）發(fā)明了“氣泡室”，將亞原子粒子加速到接近光速，然后拋出這個(gè)充滿氫氣的低壓氣泡室。這些粒子碰撞到質(zhì)子（氫原子核）后，質(zhì)子分裂為一群陌生的新粒子。這些粒子從碰撞點(diǎn)擴(kuò)散時(shí)，都會(huì)留下一個(gè)極其微小的氣泡，暴露了它們的蹤跡?？茖W(xué)家無(wú)法看到粒子本身，卻可以看到這些氣泡的蹤跡。

氣泡室圖像上這些細(xì)小的軌跡（每條軌跡表明一個(gè)此前未知的粒子的短暫存在）多種多樣，數(shù)量眾多，讓科學(xué)家既驚奇又惑。他們甚至無(wú)法猜測(cè)這些亞原子粒子究竟是什么。
默里·蓋爾曼認(rèn)為，如果應(yīng)用關(guān)于自然的幾種基本概念，就可能會(huì)弄清楚這些粒子。他先假定自然是簡(jiǎn)單、對(duì)稱的。他還假定像所有其他自然界中的物質(zhì)和力一樣，這些亞原子粒子是守恒的（即質(zhì)量、能量和電荷在碰撞中沒有丟失，而是保存了下來(lái)）。

用這些理論作指導(dǎo)，蓋爾曼開始對(duì)質(zhì)子分裂時(shí)的反應(yīng)進(jìn)行分類和簡(jiǎn)化處理。他創(chuàng)造了一種新的測(cè)量方法，稱為“奇異性（strangness）”。這個(gè)詞是他從量子物理學(xué)引入的。奇異性可以測(cè)量到每個(gè)粒子的量子態(tài)。他還假設(shè)奇異性在每次反應(yīng)中都被保存了下來(lái)。

蓋爾曼發(fā)現(xiàn)自己可以建立起質(zhì)子分裂或者合成的簡(jiǎn)單反應(yīng)模式。但是有幾個(gè)模式似乎并不遵循守恒定律。之后他意識(shí)到如果質(zhì)子和中子不是固態(tài)物質(zhì)，而是由3個(gè)更小的粒子構(gòu)成，那么他就可以使所有的碰撞反應(yīng)都遵循簡(jiǎn)單的守恒定律了。

經(jīng)過兩年的努力，蓋爾曼證明了這些更小的粒子肯定存在于質(zhì)子和中子中。他將之命名為“k-works”，后來(lái)縮寫為“kworks”。之后不久，他在詹姆斯·喬伊斯（James Joyce）的作品中讀到一句“三聲夸克（three quarks）”，于是將這種新粒子更名為夸克（quark）。

物理結(jié)構(gòu)

所有的物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的。世界上存在數(shù)千種原子。但原子并非構(gòu)成物質(zhì)的最小單元，它的內(nèi)部還有自己的結(jié)構(gòu)。10-10米大小的原子內(nèi)部絕大部分是真空的，中心有極為致密的核，大小約10-15米。電子繞著原子核運(yùn)動(dòng)，其量子式的運(yùn)動(dòng)曾困惑了很多人。

物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)正如同俄羅斯套娃一樣，打開一層，又出現(xiàn)下一個(gè)層次。同理地，原子核也有內(nèi)部結(jié)構(gòu)：它由質(zhì)子（proton）和中子（neutron）經(jīng)強(qiáng)力作用力結(jié)合在一起構(gòu)成。

1947年以前，我們只認(rèn)識(shí)質(zhì)子、中子、電子、μ子等為數(shù)不多的幾種粒子。人們認(rèn)為這些粒子就是構(gòu)成物質(zhì)的最小單元，稱其為“基本粒子”。此后，在宇宙線實(shí)驗(yàn)和粒子加速器實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)存在了大量其他粒子，如π、Κ、Λ、Ξ、Δ等一百多種。這些粒子中有的壽命很短，產(chǎn)生后很快就蛻變?yōu)槠渌Ｗ?。因此，隨著時(shí)間的推移，只觀測(cè)到越來(lái)越多的基本粒子。人們不禁要問，后發(fā)現(xiàn)的這些粒子還是基本的嗎？

1961年美國(guó)的候世達(dá)（Douglas R. Hofstadter）用波長(zhǎng)為德布羅意波長(zhǎng)的電子轟擊質(zhì)子，結(jié)果發(fā)現(xiàn)質(zhì)子并不是一個(gè)幾何點(diǎn)，它有大小，半徑為10-15米，電荷就分布在這樣一個(gè)小空間范圍。中子也有大小，半徑10-15米。中子雖然電荷為零，但在10-15米為了解釋質(zhì)子和中子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，1964年蓋爾曼（Murray Gell-mann）假定：前面所說(shuō)的一百多種“基本粒子”是由滿足粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中SU(3)對(duì)稱的三種夸克：上夸克(up quark)、下夸克(down quark)、奇異夸克(strange quark )及其反粒子構(gòu)成，其電荷分別為質(zhì)子電荷的（2/3，-1/3，-1/3）。

后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)共有6種夸克：上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克（charm quark）、頂夸克(top quark)和底夸克(bottom quark)。后四種夸克高度不穩(wěn)定；大多數(shù)物質(zhì)是由前兩種夸克組成的。我們通常只取這六種夸克的英文首字母，稱作u、d、s、c、t和b。我們還用“味(flavor)”這個(gè)詞來(lái)形象地區(qū)分這6種不同的夸克。不同夸克除味不同外，其他物理參量的取值不同也有一些區(qū)別，比如質(zhì)量，電荷，自旋，重子數(shù)，輕子數(shù)，同位旋量子數(shù)等?？淇擞幸粋€(gè)奇異的物理量：色量子數(shù)。每種味的夸克另有3種不同的顏色，由于夸克帶電，每種夸克另外存在自己的反夸克，因此，總共存在6×3×2=36種夸克。 范圍內(nèi)電荷密度有正有負(fù)。

夸克具有分?jǐn)?shù)電荷，是電子電量的2/3或-1/3倍，自旋為1/2或-1/2。 最初解釋強(qiáng)相互作用粒子的理論需要三種夸克，叫做夸克的三種味，它們分別是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇夸克(strange,s)。1974年發(fā)現(xiàn)了J/ψ粒子，要求引入第四種夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c)。1977年發(fā)現(xiàn)了Υ粒子，要求引入第五種夸克底夸克(bottom,b)。1994年發(fā)現(xiàn)第六種夸克頂夸克(top,t)，人們相信這是最后一種夸克。夸克理論認(rèn)為，所有的重子都是由三個(gè)夸克組成的，比如質(zhì)子（uud），中子（udd）；反重子則是由三個(gè)相應(yīng)的反夸克組成的?？淇死碚撨€預(yù)言了存在一種由三個(gè)奇異夸克組成的粒子（sss），這種粒子于1964年在氫氣泡室中觀測(cè)到，叫做負(fù)ω粒子。頂、底、奇、魅夸克由于質(zhì)量太大（參見下表），很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)衰變成上夸克或下夸克。 夸克按其特性分為三代，如下表所示：

世代 自旋    特色        中英文名稱                 符號(hào)       帶電量 / e       質(zhì)量 / MeV.c-2
1   + 1/2   Iz=+1/2  上夸克（Up quark）              u         + 2/3            1.5 to 4.0
1   - 1/2   Iz=−1/2 下夸克（Down quark）            d         - 1/3            4 to 8
2   - 1/2   S=−1    奇異夸克（Strange quark）       s         - 1/3            80 to 130
2   + 1/2   C=1      魅夸克（Charm quark）           c         + 2/3            1150 to 1350
3   - 1/2   B′=−1  底（美）夸克（Bottom quark）    b         - 1/3            4100 to 4400
3   + 1/2   T=1      頂（真）夸克（Top quark）       t         + 2/3            171400 ± 2100

反重子則是由三個(gè)相應(yīng)的反夸克組成的。比如質(zhì)子(uud)，中子(udd)?？淇死碚撨€預(yù)言了存在一種由三個(gè)奇異夸克組成的粒子(sss)，這種粒子于1964年在氫氣泡室中觀測(cè)到，叫做負(fù)ω粒子。

中國(guó)的部分物理學(xué)家稱夸克為層子，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為：即使層子也不是物質(zhì)的始元，也只不過是物質(zhì)結(jié)構(gòu)無(wú)窮層次中的一個(gè)層次而已。

在量子色動(dòng)力學(xué)中，夸克除了具有“味”的特性外，還具有三種“色”的特性，分別是紅、綠和藍(lán)。這里“色”并非指夸克真的具有顏色，而是借“色”這一詞形象地比喻夸克本身的一種物理屬性。量子色動(dòng)力學(xué)認(rèn)為，一般物質(zhì)是沒有“色”的，組成重子的三種夸克的“顏色”分別為紅、綠和藍(lán)，因此疊加在一起就成了無(wú)色的。因此計(jì)入6種味和3種色的屬性，共有18種夸克，另有它們對(duì)應(yīng)的18種反夸克。

夸克理論還認(rèn)為，介子是由同色的一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成的束縛態(tài)。例如，日本物理學(xué)家湯川秀樹預(yù)言的[[π+介子]]是由一個(gè)上夸克和一個(gè)反下夸克組成的，π-介子則是由一個(gè)反上夸克和一個(gè)下夸克組成的，它們都是無(wú)色的。

除頂夸克外的五種夸克已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)它們的存在，華裔科學(xué)家丁肇中便因發(fā)現(xiàn)魅夸克（又叫J粒子）而獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。近十年來(lái)高能粒子物理學(xué)家的主攻方向之一是頂夸克 (t)。

至于1994年最新發(fā)現(xiàn)的第六種“頂夸克”，相信是最后一種，它的發(fā)現(xiàn)令科學(xué)家得出有關(guān)夸克子的完整圖像，有助研究在宇宙大爆炸之初少于一秒之內(nèi)宇宙如何演化，因?yàn)榇蟊ㄗ畛醍a(chǎn)生的高熱，會(huì)產(chǎn)生頂夸粒子。

研究顯示，有些恒星在演化末期可能會(huì)變成“夸克星”。當(dāng)星體抵受不住自身的萬(wàn)有引力不斷收縮時(shí)，密度大增會(huì)把夸克擠出來(lái)，最終一個(gè)太陽(yáng)大小的星體可能會(huì)萎縮到只有七、八公里那么大，但仍會(huì)發(fā)光。

夸克理論認(rèn)為，夸克都是被囚禁在粒子內(nèi)部的，不存在單獨(dú)的夸克。一些人據(jù)此提出反對(duì)意見，認(rèn)為夸克不是真實(shí)存在的。然而夸克理論做出的幾乎所有預(yù)言都與實(shí)驗(yàn)測(cè)量符合的很好，因此大部分研究者相信夸克理論是正確的。1997年，俄國(guó)物理學(xué)家戴阿科諾夫等人預(yù)測(cè)，存在一種由五個(gè)夸克組成的粒子，質(zhì)量比氫原子大50％。2001年，日本物理學(xué)家在SP環(huán)－8加速器上用伽馬射線轟擊一片塑料時(shí)，發(fā)現(xiàn)了五夸克粒子存在的證據(jù)。隨后得到了美國(guó)托馬斯·杰裴遜國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室和莫斯科理論和實(shí)驗(yàn)物理研究所的物理學(xué)家們的證實(shí)。這種五夸克粒子是由2個(gè)上夸克、2個(gè)下夸克和一個(gè)反奇異夸克組成的，它并不違背粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。這是第一次發(fā)現(xiàn)多于3個(gè)夸克組成的粒子。研究人員認(rèn)為，這種粒子可能僅是“五夸克”粒子家族中第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的成員，還有可能存在由4個(gè)或6個(gè)夸克組成的粒子。

陸陸續(xù)續(xù)地，共有九個(gè)實(shí)驗(yàn)群組宣稱發(fā)現(xiàn)了penta-quark的證據(jù)。但是在其它較高能的實(shí)驗(yàn)組及其數(shù)據(jù)中，包括使用輕子對(duì)撞器如德國(guó) DESY 的 ZEUS 實(shí)驗(yàn)，以及日本 KEK 的 Belle 與美國(guó) SLAC 的 BaBar 兩大 B介子工廠實(shí)驗(yàn)、以及使用強(qiáng)子對(duì)撞器的美國(guó) 費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室中的 CDF 與 D∅ 實(shí)驗(yàn)，都沒有觀測(cè)到應(yīng)該存在的證據(jù)。因此，所謂的五夸克粒子(penta-quark)存在與否，還是一個(gè)極具爭(zhēng)論性的話題。同時(shí)，春天八號(hào)也計(jì)劃將會(huì)再提升其效能，以比目前強(qiáng)10倍的輻射光，獲取更大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)上的確認(rèn)。

[1] 太原理工大學(xué) http://www./wuli/zhu/kxjwj/axmf03.htm
[2] 博聞網(wǎng) http://science./quark5.htm
[3] 夸克命名 http://www./zonghe/zhwz/zhja/200606/255835.html