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目前认知的最小的粒子竟然如此强大

夸克(英语:quark)是一种参与强相互作用的基本粒子,也是构成物质的基本单元。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。基于这个原因,我们对夸克的所知大都是间接的来自对强子的观测。

目前,我们已知的夸克有六种。夸克的种类被称为“味”,它们是上(u)、下(d)、奇(s)、粲(c)、底(b)及顶(t)。上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,来迅速地变成上或下夸克。粒子衰变是一个从高质量的态变成低质量态的过程。就是由于这个原因,上及下夸克一般来说很稳定,所以它们在宇宙中很常见,而奇、粲、顶及底则只能经由高能粒子的碰撞产生(例如宇宙射线及粒子加速器)并很快衰变。

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。在粒子物理的标准模型中,夸克是唯一一种能经受全部四种基本相互作用(电磁、引力、强相互作用及弱相互作用)的基本粒子。另外,夸克也是现在已知唯一一种基本电荷为非整数的粒子。夸克的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符号不同。

由夸克构成的强子根据其自旋可以分为重子(自旋为半奇数)和介子(自旋为整数)。所有的重子,比如质子和中子,都是由三个夸克组成的(反重子则是由三个反夸克组成的)。质子由两个上夸克和一个下夸克组成,中子是由两个下夸克和一个上夸克组成。而所有的介子都是由一对正–反夸克构成。

夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》的词句“向麦克老人三呼夸克(Three quarks for Muster Mark)”。无非是指一个质子中有三个夸克。另外夸克在该书中具有多种含义,其中之一是一种海鸟的叫声。他认为,这适合他最初认为“基本粒子不基本、基本电荷非整数”的奇特想法,同时他也指出这只是一个笑话,这是对矫饰的科学语言的反抗。另外,也可能是出于他对鸟类的喜爱。

粒子物理标准模型是描述所有已知基本粒子的理论框架,同时还包括希格斯(Higgs)玻色子[19-20] [21] 。此模型包含所有目前已知的六种味的夸克。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`u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,但两者的电荷及其它荷的符号则相反


夸克的自旋为1⁄2。因此根据自旋统计定理,它们是费米子,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。这一点跟玻色子相反(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”。

在强子中决定量子数的夸克叫“价夸克”。除了这些价夸克,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,它们的不同点在于其所含的价夸克及这些内含物所赋予的性质。而含有更多价夸克的“奇特强子”,如四夸克粒子(qqqq)及五夸克粒子(qqqqq),目前仍在理论阶段。尽管实验上已有迹象表明其存在,但是它们的存在仍未被最终证实。

(图片解释:标准模型中的粒子有六种是夸克(图中用紫色表示)。左边的三列中,每一列构成物质的一代。)

基本费米子被分成三代,每一代由两味轻子和两味夸克组成。第一代有上及下夸克,第二代有奇及粲夸克,而第三代则有顶及底夸克。过去所有搜寻第四代基本粒子的研究均以失败告终,又存在有力的间接证据支持不会有超过三代。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(上及下)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,科学家们相信宇宙起源极早期会存有重夸克,那时宇宙处于温度及密度极高的状态(夸克—胶子等离子体时期)。目前,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。

由于同时拥有电荷、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。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,引力实在是小得微不足道。另外,由于现时仍没有成功的量子引力理论,所以粒子物理的标准模型并不包含引力。最近,吴岳良发展引力量子场论将引力与电磁、弱和强三种基本相互作用放在平等的地位处理,并在量子场论框架下进行统一描述。

1969年,在欧洲核子研究中心的重液泡室做的中微子非弹性散射,对斯坦福直线加速器中心的实验结果做了有力的扩展。后来的μ子深度非弹性散射、电子—正电子碰撞、质子—反质子碰撞、强子喷注都显示了夸克—夸克相互作用。所有这些都强有力地证明了强子的夸克结构。

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