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夸克
本詞條是多義詞，共3個義項
一種參與強(qiáng)相互作用的基本粒子
概述
夸克（quark）是一種參與強(qiáng)相互作用的基本粒子。夸克結(jié)合形成一種復(fù)合粒子，叫強(qiáng)子。強(qiáng)子中最穩(wěn)定的是質(zhì)子和中子，它們是構(gòu)成原子核的單元。由于一種所謂“夸克禁閉”的現(xiàn)象，夸克不能夠直接被觀測到，或是被分離出來，只能夠在強(qiáng)子里面找到。因此，我們對夸克的認(rèn)知大都是間接地來自對強(qiáng)子的觀測。
概念提出與名稱由來
概念提出
夸克
模型發(fā)展
抽象概念
1961年，蓋爾曼提出了一種粒子分類系統(tǒng)，叫“八重道”或SU(3)味對稱。同年，以色列物理學(xué)家尤瓦勒·內(nèi)埃曼（Yuval Ne'eman）也獨立開發(fā)出一套與八重道相似的理論。
1964年，物理學(xué)家默里·蓋爾曼 和喬治·茨威格（GeorgeZweig）先后獨立提出了夸克模型。當(dāng)時，人類已知的各種粒子中包括許多強(qiáng)子。蓋爾曼和茨威格認(rèn)定，這些強(qiáng)子不是基本粒子，而是由夸克和反夸克組成。在他們的模型中，夸克有上、下及奇三種味，三種味的夸克電荷、自旋等性質(zhì)各異。對于夸克的本質(zhì)，當(dāng)時學(xué)界存在很大的爭議。有人認(rèn)為夸克是物理實體，而一些人則認(rèn)為，它只是用來解釋當(dāng)時未明物理的抽象概念而已。
延伸發(fā)展
夸克
1968年，史丹佛線性加速器中心（SLAC）的深度非彈性散射實驗顯示，質(zhì)子含有比自己小得多的點狀物，說明質(zhì)子并非基本粒子。當(dāng)時SLAC的物理學(xué)家把這些粒子稱作做“成子”（parton），后來被鑒定為上及下夸克。不過，“成子”一詞到現(xiàn)在還在使用，泛指重子構(gòu)成物，即夸克、反夸克和膠子的總稱。
SLAC的散射實驗間接證實了奇夸克的存在，以及默里·蓋爾曼和G.茨威格三夸克模型的合理性，并成功解釋了1947年從宇宙射線中發(fā)現(xiàn)的K和π強(qiáng)子。
1974年，粲夸克被兩個研究小組幾乎同時發(fā)現(xiàn)。他們分別是SLAC和布魯克黑文國家實驗室，其中后者由華裔科學(xué)家丁肇中領(lǐng)導(dǎo)，后來因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。粲夸克均是在介子里觀測到的，與一個反粲夸克束縛在一起。后來，該粒子被正式命名為J/ψ介子。這個發(fā)現(xiàn)終于使物理學(xué)界相信夸克模型是正確的。
1975年，以色列物理學(xué)家哈伊姆·哈拉里（HaimHarari）在其論文中，提出了“頂”及“底”夸克的概念，建議把夸克數(shù)量增至六個。
分類
夸克的種類被稱為“味”，已知的夸克有六種，即六味，它們分別是上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及頂（t）?？淇说姆戳Ｗ咏蟹纯淇耍趯?yīng)的夸克符號上加一橫作為標(biāo)記。反夸克跟對應(yīng)的夸克有著相同的質(zhì)量、平均壽命及自旋，但兩者的電荷及其他荷的正負(fù)則相反。所有夸克中，上及下夸克的質(zhì)量最輕。奇、粲、底、頂?shù)容^重的夸克會通過粒子衰變，衍變?yōu)樯匣蛳驴淇?。粒子衰變是一個從高質(zhì)量態(tài)變成低質(zhì)量態(tài)的過程。作為衰變的產(chǎn)物，上及下夸克通常較穩(wěn)定，廣泛存在于宇宙中，而奇、粲、底及頂較不穩(wěn)定，只能通過宇宙射線及粒子加速器等高能粒子碰撞得到，且衰變速度很快。
夸克
強(qiáng)子中決定量子數(shù)的夸克叫“價夸克”；除了這些夸克，任何強(qiáng)子都可以含有無限量的虛（或“?！保┛淇?、反夸克，及不影響其量子數(shù)的膠子。
強(qiáng)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(zhì)子和中子，它們是構(gòu)成原子核的基礎(chǔ)材料。也已知道的強(qiáng)子種類很多，它們的不同點在于所含的夸克，及這些內(nèi)含物所賦予的性質(zhì)。而含有更多價夸克的“奇特重子”，如四夸克粒子（qqqq）及五夸克粒子（qqqqq），目前仍在理論階段，它們的存在仍未被證實。
基本費(fèi)米子被分成三代，每一代由兩個輕子和兩個夸克組成。第一代有上及下夸克，第二代有奇及粲夸克，而第三代則有頂及底夸克。代數(shù)較高的粒子，一般會有較大的質(zhì)量及較低的穩(wěn)定性，它們會通過弱相互作用，衰變成代數(shù)較低的粒子。大自然中，只有第一代夸克（上及下）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。不過，有科學(xué)家認(rèn)為，大爆炸早期會存在重夸克，那時宇宙處于高溫高密度狀態(tài)。目前，重夸克實驗研究都在粒子加速器等人工環(huán)境下進(jìn)行。
性質(zhì)
電荷
強(qiáng)子(中子和質(zhì)子)-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖
自旋
自旋是基本粒子的一種內(nèi)在特性，旋轉(zhuǎn)方向是一項重要的自由度。自旋可以用矢量來代表，其長度用約化普朗克常數(shù)?來量度。量度夸克時，在任何軸上量度自旋的矢量分量，結(jié)果皆為+?/2或??/2；因此夸克是一種自旋1/2的粒子。沿某一軸（慣例上為z軸）上的旋轉(zhuǎn)分量，一般用上箭頭↑來代表+1/2，下箭頭↓來代表-1/2，然后在后加上味的符號。例如，一自旋為+1/2的上夸克可被寫成u↑。
弱相互
β衰變-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖
變味過程中，每一種夸克都偏向于變成跟自己同一代的另一夸克。這種相對趨勢可由一個數(shù)學(xué)表—卡比博-小林-益川矩陣（CKM矩陣）來描述。輕子也有一個類似的弱相互作用矩陣，叫龐蒂科夫-牧-中川-坂田矩陣（PMNS矩陣）。這兩個矩陣合起來能夠描述所有味變，但兩者間的關(guān)系至今尚不明朗。
強(qiáng)相互作用與色荷
夸克
三種色的不同組合決定著夸克間的吸引及排斥，即強(qiáng)相互作用，它是由一種叫膠子的規(guī)范玻色子所傳遞的。描述強(qiáng)相互作用的理論叫量子色動力學(xué)（QCD）。一個帶某色荷的夸克，可以和一個帶對應(yīng)反色荷的反夸克，一起生成一束縛系統(tǒng)；三個（反）色荷各異的（反）夸克，也就是三種色每種一個，同樣也可以束縛在一起。兩個互相吸引的夸克會達(dá)至色中性：一夸克帶色荷ξ，加上一個帶色荷-ξ的反夸克，結(jié)合后色荷為零（或“白”色），成為一個介子。跟基本光學(xué)的顏色疊加一樣，把三個色荷互不相同的夸克或三個這樣的反夸克組合在一起，就會同樣地得到“白”的色荷，成為一個重子或反重子。
三色夸克-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖
在現(xiàn)代粒子物理學(xué)中，聯(lián)系粒子相互作用的，是一種叫規(guī)范對稱的空間對稱群。色荷SU(3)是夸克色荷的規(guī)范對稱，也是量子色動力學(xué)的定義對稱。物理學(xué)定律不受空間的方向（如x、y及z）所限，即使坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)到一個新方向，定律依然不變，量子色動力學(xué)的物理也一樣，不受三維色空間的方向影響，色空間的三個方向分別為藍(lán)、紅和綠。SU(3)的色變與色空間的“旋轉(zhuǎn)”相對應(yīng)（數(shù)學(xué)上，色空間是復(fù)數(shù)空間）。每一種夸克味，f，下面都有三種小分類fB、fG和fR，對應(yīng)三種夸克色藍(lán)、綠和紅，形成一個三重態(tài)：一股有三個分量的量子場，并且在變換時遵從SU(3)的基本表示。這個時候SU(3)應(yīng)是局部的，這個要求換句話說，就是容許變換隨空間及時間而定，所以說這個局部表示決定了強(qiáng)相互作用的性質(zhì)，尤其是有八種載力用膠子這一點。
質(zhì)量
膠子-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖
夸克本身的質(zhì)量被稱作“凈夸克質(zhì)量”，凈夸克質(zhì)量加上其周圍膠子場的質(zhì)量被稱作“組夸克質(zhì)量”，這兩個質(zhì)量數(shù)值一般相差甚遠(yuǎn)。一個強(qiáng)子中的大部份的質(zhì)量，都屬于把夸克束縛起來的膠子，而不是夸克本身。盡管膠子的內(nèi)在質(zhì)量為零，它們擁有量子色動力學(xué)束縛能QCBE，它為強(qiáng)子提供了更多的質(zhì)量。例如，一個質(zhì)子的質(zhì)量約為938MeV/C2，其中三個價夸克大概只有11MeV/c2；其余大部份質(zhì)量都可以歸咎于膠子的QCBE。
希格斯玻色子-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖
性質(zhì)列表
下表總結(jié)了六種夸克性質(zhì)。每種夸克味都有自己的味量子數(shù)（同位旋（I3）、粲數(shù)（C）、奇異數(shù)（S）、頂數(shù)（T）及底數(shù)（B′）），它們代表著夸克系統(tǒng)及強(qiáng)子的一些特性。因為重子由三個夸克組成，所以所有夸克的重子數(shù)（B）均為+1/3。對于反夸克，電荷（Q）及其他味量子數(shù)（B、I3、C、S、T及B′）都跟夸克的差一個正負(fù)號。質(zhì)量和總角動量（J；相等于點粒子的自旋）不會因為反粒子而變號。
夸克按其特性分為三代，如下表所示：
夸克味的性質(zhì)
夸克味的性質(zhì) | ||||||||||||
名稱 | 符號 | 質(zhì)量（MeV/c） | J | B | Q | I3 | C | S | T | B | 反粒子 | 符號 |
第一代 | ||||||||||||
上 | u | 1.7 to 3.3 | 1?2 | +1?3 | +2?3 | +1?2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 反上 | u |
下 | d | 4.1 to 5.8 | 1?2 | +1?3 | ?1?3 | ?1?2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 反下 | d |
第二代 | ||||||||||||
展開表格
J=總角動量、B=重子數(shù)、Q=電荷、I3=同位旋,C=粲數(shù)、S=奇異數(shù)、T=頂數(shù)及B′=底數(shù)。*4,190+180-60，這樣的標(biāo)記代表量測不確定度。
發(fā)現(xiàn)研究
夸克
1994年，“頂夸克”被發(fā)現(xiàn)，它使科學(xué)家得到了有關(guān)夸克子的完整圖像，對宇宙大爆炸之初的宇宙演化研究有重大意義，因為大爆炸最初產(chǎn)生的高熱，會產(chǎn)生大量頂夸克粒子。
研究顯示，有些恒星在演化末期可能會變成“夸克星”。當(dāng)星體抵受不住自身的萬有引力不斷收縮時，密度大增會把夸克擠出來，最終一個太陽大小的星體可能會萎縮到只有七、八公里那么大，但仍會發(fā)光。
夸克理論認(rèn)為，夸克都是被囚禁在粒子內(nèi)部的，不能單獨存在。一些人則認(rèn)為夸克并非真實存在。然而夸克理論做出的幾乎所有預(yù)言都與實驗測量符合得很好，因此大部分研究者堅信夸克理論的正確性。
“夸克星”-內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖
1997年，俄國物理學(xué)家戴阿科諾夫等人預(yù)測，存在一種由五個夸克組成的粒子，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塑料時，發(fā)現(xiàn)了五夸克粒子存在的證據(jù)。隨后得到了美國托馬斯·杰裴遜國家加速器實驗室和莫斯科理論和實驗物理研究所的物理學(xué)家們的證實。這種五夸克粒子由2個上夸克、2個下夸克和一個反奇異夸克組成，它并不違背粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型。這是首次發(fā)現(xiàn)多于3個夸克組成的粒子。研究人員認(rèn)為，這種粒子可能僅是“五夸克”粒子家族中的一員，還有可能存在由4個或6個夸克組成的粒子。
發(fā)現(xiàn)過程
發(fā)現(xiàn)者
默里·蓋爾曼1929年出生于曼哈頓，是個名副其實的神童，8歲時的智力抵得上大部分大學(xué)生?？墒牵趯W(xué)校里他感到無聊，坐立不安，還患有急性寫作障礙。雖然完成論文和研究項目報告對他而言很簡單，他卻很少能完成。盡管如此，他還是順利地從耶魯大學(xué)本科畢業(yè)，先后在麻省理工學(xué)院、芝加哥大學(xué)、普林斯頓大學(xué)（為奧本海默）工作。
推斷假設(shè)
24歲時，他決定集中精力研究氣泡室圖像里的奇怪粒子。當(dāng)時，通過氣泡室圖像，科學(xué)家可以估測每個粒子的大小、電荷、運(yùn)動方向和速度，但是卻無法確定它們的身份。到1958年，有近100個名字被用來鑒別和描述這些探測到的新粒子。
默里·蓋爾曼認(rèn)為，用幾種自然的基本概念，就可能弄清楚這些粒子。他先假定自然是簡單、對稱的。然后還假定像所有其他自然界中的物質(zhì)和力一樣，這些亞原子粒子是質(zhì)量、能量和電荷守恒的。
用這些理論作指導(dǎo)，他創(chuàng)造了一種新的測量方法，被稱作“奇異性（strangeness）”。這個詞是他從量子物理學(xué)引入的。奇異性可以測量到每個粒子的量子態(tài)。
建立模型
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單反應(yīng)模式。但是有幾個模式似乎并不遵循守恒定律。之后他意識到如果質(zhì)子和中子不是固態(tài)物質(zhì)，而是由3個更小的粒子構(gòu)成，那么他就可以使所有的碰撞反應(yīng)都遵循簡單的守恒定律了。
證明
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”，后來縮寫為“kworks”。之后不久，他在詹姆斯·喬伊斯（JamesJoyce）的小說中中讀到一句“三聲夸克（threequarks）”，于是將這種新粒子更名為夸克（quark）。與此同時，加利福尼亞理工學(xué)院(Caltech)的茨威格(G·Zweig)也獨立地提出了這一預(yù)言。
夸克
斯坦福直線加速器中心所做的實驗與盧瑟福(E·Rutherford)所做的驗證原子核式模型的實驗類似。正像盧瑟福由于大量α粒子的大角度散射現(xiàn)象的觀察，預(yù)言原子中有核存在一樣，斯坦福直線加速器中心由前所未料的大量電子的大角度散射現(xiàn)象，證實核子結(jié)構(gòu)中有點狀組分。
事實上，在斯坦福直線加速器中心—麻省理工學(xué)院所做的實驗之前，沒有人能拿出令人信服的動力學(xué)實驗來證實質(zhì)子和中子中有夸克存在，那個時期理論學(xué)家對強(qiáng)子理論中夸克所扮演的角色還不清楚。
1962年，斯坦福開始建造大的直線加速器，它的能量為10-20GeV，經(jīng)過一系列改進(jìn)后，能量可達(dá)到50GeV。兩年后，斯坦福直線加速器中心主任潘諾夫斯基(W·Panofsky)得到幾個年輕物理學(xué)家的支持，泰勒就是其中一員，并擔(dān)任了一個實驗小組的領(lǐng)導(dǎo)。不久弗里德曼和肯德爾也加入進(jìn)來，他倆那時是麻省理工學(xué)院的教師，他們一直在5GeV的劍橋電子加速器上做電子散射實驗，這個加速器是一個回旋加速器，容量有限。但是斯坦福的加速器有20GeV能量，可以產(chǎn)生“超強(qiáng)的射線束、高的電流密度和外部射線束。加利福尼亞理工學(xué)院的一個小組也加入合作，他們的主要工作是比較電子—質(zhì)子散射和正電子—質(zhì)子散射。這樣，來自斯坦福直線加速器中心、麻省理工學(xué)院和加利福尼亞理工學(xué)院的科學(xué)家組成了一支龐大的研究隊伍。他們決定建造兩個能譜儀，一個是8GeV的大接受度能譜儀，另一個是20GeV的小接受度能譜儀。新設(shè)計的能譜儀和早期的能譜儀不同的地方是它們在水平方向用了直線一點聚焦。這種新設(shè)計能夠讓散射角在水平方向散開，而動量在垂直方向散開。
在那時，物理學(xué)的主流認(rèn)為質(zhì)子沒有點狀結(jié)構(gòu)，他們預(yù)想大角度散射將會很少，而實驗結(jié)果出乎意料的大。這是一個驚人的發(fā)現(xiàn)，人們不知道它意味著什么。在這種情況下，斯坦福直線加速器中心的理論家比約肯(J·Biorken)提出了標(biāo)定無關(guān)性的思想。在得出標(biāo)度無關(guān)性時，他用了許多并行的方法，其中最具有思辯性的是點狀結(jié)構(gòu)。
1967年末至1968年初，深度非彈性散射的實驗數(shù)據(jù)已開始積累。當(dāng)肯德爾把新的數(shù)據(jù)分析拿給比約肯看了以后，比約肯建議用標(biāo)度無關(guān)變量ω來分析這些數(shù)據(jù)。按照舊方法描圖，數(shù)據(jù)很非常分散，但按比約肯的方法處理數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)竟很好地集中起來。1968年8月，第十四屆國際高能物理會上，弗里德曼報告了實驗結(jié)果。
1968年8月，加利福尼亞理工學(xué)院的R·費(fèi)因曼訪問斯坦福直線加速器中心時，看到了非彈性散射的數(shù)據(jù)和比約肯標(biāo)度無關(guān)性。他認(rèn)為部分子在高能相對論核子中是近似自由分布的，也就是說結(jié)構(gòu)函數(shù)與部分子的動量分布是相關(guān)的。這是一個簡單的動力學(xué)模型，也是比約肯觀點的另一種說法。費(fèi)因曼的工作大大刺激了理論工作，幾種新的理論出現(xiàn)了。費(fèi)因曼根據(jù)夸克的要求，淘汰了一些假設(shè)。
一年以后，歐洲核子研究中心重液泡室的中微子非彈性散射，對斯坦福直線加速器中心的實驗結(jié)果給予了有力擴(kuò)展。后來的μ子深度非彈性散射、電子—正電子碰撞、質(zhì)子—反質(zhì)子碰撞、強(qiáng)子噴注都顯示了夸克—夸克的相互作用。所有這些都有力地證明了強(qiáng)子的夸克結(jié)構(gòu)。
夸克的點狀結(jié)構(gòu)及其在強(qiáng)子中的強(qiáng)約束的矛盾，使得物理學(xué)界接受夸克用了好幾年的時間。事實上，夸克理論不能完全唯一地解釋實驗結(jié)果，獲得諾貝爾獎的實驗表明質(zhì)子中還包含有電中性的結(jié)構(gòu)，那就是此后不久發(fā)現(xiàn)的“膠子”。在質(zhì)子和其它粒子中膠子把夸克膠合在了一起。
1973年，格洛斯、威耳茨克(F·Wilczek)和鮑里澤爾(H·D·Politzer)獨立地發(fā)現(xiàn)了非阿貝爾規(guī)范場的漸近自由理論。這種理論認(rèn)為，如果夸克之間的相互作用是由色規(guī)范膠子引起的，夸克之間的耦合在短距離內(nèi)呈對數(shù)減弱。這個理論后來被叫做量子色動力學(xué)，很好地解釋了斯坦福直線加速器中心的所有實驗結(jié)果。另外，漸近自由的反面，遠(yuǎn)距離耦合強(qiáng)度的增加解釋了夸克禁閉的機(jī)制。
總之，斯坦福直線加速器中心的電子非彈性散射實驗顯示了夸克的點狀行為，成為量子色動力學(xué)的實驗基礎(chǔ)。
參考資料
[1]
湖南教育出版社 . 夸克物質(zhì)理論導(dǎo)論 : 李家榮 ，1989-9
[2]
歐核中心宣布發(fā)現(xiàn)3種新的奇特粒子結(jié)構(gòu) · 財聯(lián)社[引用日期2022-07-06]
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尚可名片
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作者
