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夸克
图中有三个颜色球(代表夸克),每一对都有弹簧(代表胶子)连接着,而它们都在一个灰色旳圆圈内(代表质子)。球的颜色分别为红、绿及蓝,跟每个夸克的色荷一致。红色及蓝色球上标着“u”(代表上夸克),而绿色球则标着“d”(代表下夸克)。各夸克的颜色分配并不重要,重要的是所有三种颜色都在。
由二个上夸克及一个下夸克所构成的质子
组成 基本粒子
费米子
第一代、第二代及第三代
基本相互作用 电磁力重力
符号 q
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 斯坦福线性加速器中心
(约1968年)
类型 6种
电荷 +23 e, −13 e
色荷
自旋 12

夸克(英语:quark)是一种基本粒子,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。因为这个原因,人类对夸克的所知大都是来自对强子的观测。

夸克有六种“”,分别是。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态变成低质量态的过程。就是因为这个原因,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,包括电荷色荷自旋质量等。在标准模型中,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弱相互作用力)。夸克同时是现时已知唯一一种基本电荷整数的粒子。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,而当时并没有什么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英语Deep inelastic scattering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

标准模型中的粒子有六种是夸克(图中用紫色表示)。左边的三行中,每一行构成物质的一

标准模型是描述所有已知基本粒子的理论框架。此模型包含六种的夸克(q):u)、d)、s)、c)、b)及t)。夸克的反粒子反夸克,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、平均寿命自旋,但两者的电荷及其他的正负则相反。

夸克的自旋为12,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(或“”)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qqqq)及五夸克粒子qqqqq),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,每一代由两个轻子和两个夸克组成。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,又有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,科学家们相信大爆炸后,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引力理论,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

默里·盖尔曼,摄于2007年的TED大会。盖尔曼与乔治·茨威格在1964年提出了夸克模型。

夸克模型于1964年由物理学家默里·盖尔曼乔治·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·内埃曼英语Yuval Ne'eman(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“粒子园英语Particle zoo”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,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·格拉肖詹姆斯·布约肯英语James Bjorken(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三:一、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英语Mass formula,可以计算出已知介子的质量。

斯坦福线性加速器中心(SLAC)深度非弹性散射英语Deep inelastic scattering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“成子英语Parton (particle physics)”(parton)——一个由理查德·费曼所创造的新词:42随着更多味的发现,在SLAC所观测到的粒子后来被鉴定为上及下夸克:556。不过,“成子”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Kπ强子。

在1971年的一份论文中,格拉肖、约翰·李尔普罗斯卢奇亚诺·马伊阿尼(Luciano Maiani)一起对当时尚未发现的粲夸克,提出更多它存在的理据:44。到1973年,小林诚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。

粲夸克在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黑文国家实验室,由丁肇中领导。观测到的粲夸克在介子里面,与一个反粲夸克束缚(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子叫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·哈拉里英语Haim Harari(Haim Harari)在1975年的论文中,最早把加上的夸克命名为“”及“:31-33

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CDF英语Collider Detector at Fermilab英语D0 experiment小组观测到。它的质量比之前预料的要大得多:144——几乎跟原子一样重。

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:

盖尔曼在其著作《夸克与美洲豹英语The Quark and the Jaguar》中,更详细地述说了夸克这个词的由来:

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。跟布约肯一起提出粲夸克的格拉肖说过:“我们把它叫粲夸克,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:133

性质

电荷

夸克的电荷值为分数——基本电荷的−13倍或+23倍,随味而定。上、粲及顶夸克(这三种叫“上型夸克”)的电荷为+23,而下、奇及底夸克(这三种叫“下型夸克”)的则为−13。反夸克与其所对应的夸克电荷相反;上型反夸克的电荷为−23,而下型反夸克的电荷则为+13。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”)。

自旋可以用矢量来代表,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矢量分量,结果皆为+ħ/2或−ħ/2;因此夸克是一种自旋12粒子:80–90。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+12,下箭头↓来代表−12,然后在后加上味的符号。例如,一自旋为+12的上夸克可被写成u↑。

弱相互作用

图为β衰变费曼图,时间箭头向上。CKM矩阵(详见下文)包含了β及其他夸克衰变的发生概率。

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(n)“分裂”成一质子(p)、一电子e
)及一反电中微子ν
e
)(见右图)。在β衰变发生时,中子(udd)内的一下夸克在释放一虚W
玻色子后,随即衰变成一上夸克,于是中子就变成了质子(uud)。随后W
玻色子衰变成一电子及一反电中微子:307ff

  n   p + e
+ ν
e
(β衰变,重子标记)
udd uud + e
+ ν
e
(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

图为六种夸克间弱相互作用的强度。线的“深浅”由CKM矩阵的元决定。

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:

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

不论种类,强子的总色荷为零。

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:part III}。物理学定律不受空间的方向(如x、y及z)所限,即使坐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,色空间是复数空间英语Complex space)。每一种夸克味,f,下面都有三种小分类fBfGfR,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:part III

质量

在提及夸克质量时,需要用到两个词:一个是“净夸克英语Current quark质量”,也就是夸克本身的质量;另一个是“组夸克英语Constituent quark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)、粲数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+13。反夸克的话,电荷(Q)及其他味量子数(BI3CSTB′)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:

夸克味的性质
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 u 1.7 to 3.3 12 +13 +23 +12 0 0 0 0 反上 u
d 4.1 to 5.8 12 +13 13 12 0 0 0 0 反下 d
下一代
第二代 c 1270+70
−90
12 +13 +23 0 +1 0 0 0 反粲 c
s 101+29
−21
12 +13 13 0 0 −1 0 0 反奇 s
下一代
第三代 t 172000±900  ±1,300  12 +13 +23 0 0 0 +1 0 反顶 t
b 4190+180
−60
12 +13 13 0 0 0 0 −1 反底 b
J = 总角动量B = 重子数Q = 电荷I3 = 同位旋, C = 粲数S = 奇异数T = 顶数B′ = 底数
* 像4190+180
−60
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,胶子是无质量的矢量英语Vector boson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(它是通用表述摄动理论的一部分),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:45-47:85

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:400ff。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:295–297 。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,就会发生强子化英语Hadronization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

除影响量子数价夸克((q
v
)之外,强子也含有夸克-反夸克对(qq),这些对粒子叫“海夸克”(q
s
)。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

夸克物质的性质描述相图。图中准确的细节,仍是进行中的研究课题。

在足够极端的条件下,夸克可能会脱离禁闭,成为自由粒子。在渐近自由的演变下,高温时的强相互作用变得较弱。最后,色禁闭会失效,形成一股超热等离子体体,由自由移动的夸克与胶子组成。这种物质的理论相叫夸克-胶子浆。需要达到这个相的确切条件,现时仍是未知,但这方面一直都有不少的推测及实验。温度需求的近期估计为(1.90±0.02)×1012 开尔文。虽然夸克及胶子的完全自由态从未被实现(尽管欧洲核子研究组织在1980年代至90年代间尝试过许多次),但是在相对论性重离子对撞机英语Relativistic Heavy Ion Collider的近期实验中,有证据指出像液体的夸克物质,能展示出“近乎完美”的流体运动

夸克-胶子浆的特点是,相对于上及下夸克对的数量,重夸克对的数量大幅提升。宇宙学家们相信,在大爆炸后10−6秒之前(夸克时期),宇宙里充满着这种夸克-胶子浆,因为当时的温度实在太高,重子会不稳定。

当重子密度足够高时,且温度相对地低——大概可以跟中子星相比的条件——根据理论预测,夸克物质会退化成一弱作用夸克的费米液体。这种液体的特点是,它是由带色夸克的库珀对凝聚而成的,因此会对局部SU(3)c对称性造成破缺。由于库珀对含有色荷,所以这样的一种夸克物质相,叫色超导体英语Color superconductivity,此时色荷能够在无色阻的情况下通过。

另见

注解

  1. ^ 2000年代初,有几个研究小组声称,已证实了四夸克粒子与五夸克粒子的存在。尽管四夸克粒子的情况目前仍在争论中,但是所有五夸克候选粒子都已被证实不存在。
  2. ^ 主要证据是基于Z0
    玻色子
    共振宽度,它限制了第四代中微子的质量,此时质量需要大于~45 GeV/c2。与其他三代的中微子相比,它们的质量不高于2 MeV/c2,可见两者形成非常大的对比。
  3. ^ 在弱相互作用下的一个反应中,当左右被逆转(P对称),且粒子被换成反粒子(C对称)后,CP破坏会使这个反应的前后不一样。
  4. ^ 从一夸克衰变至另一夸克的实际概率,是一个包含衰变夸克质量、衰变产物质量及对应CKM矩阵元等变数的复杂函数。该概率与CKM矩阵对应项(|Vij|2) 的平方成正比(但不相等)。
  5. ^ 尽管名字中有颜色,色荷跟可见光的色谱并没有关系。

外部链接


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