夸克的疑问夸克的性质，以及夸克是
一、夸克理论提出的背景
20世纪50年代以前，科学家们按粒子间作用力的特点把粒子分为三大类：第一类是轻子，只参与弱力、电磁力和引力作用，不参与强力作用，而且自旋为半整数的粒子；第二类是强子，不仅参与弱力、电磁力和引力作用，而且参与强力的粒子．强子又可按其自旋的不同分为两大类：一类其自旋为半整数，统称为重子，如质子、中子等，另一类其自旋为整数或零，统称为介子，如π介子等；第三类是传播子，即传递相互作用的基本粒子，如光子〔2〕．
由于粒子中绝大多数是强子，而且轻子只有6个（这里没有包括其反粒子），于是科学家猜测：从某种意义上说，轻子是比强子更基本的粒子，而强子是复合体系，其中包含更少的...全部
一、夸克理论提出的背景
20世纪50年代以前，科学家们按粒子间作用力的特点把粒子分为三大类：第一类是轻子，只参与弱力、电磁力和引力作用，不参与强力作用，而且自旋为半整数的粒子；第二类是强子，不仅参与弱力、电磁力和引力作用，而且参与强力的粒子．强子又可按其自旋的不同分为两大类：一类其自旋为半整数，统称为重子，如质子、中子等，另一类其自旋为整数或零，统称为介子，如π介子等；第三类是传播子，即传递相互作用的基本粒子，如光子〔2〕．
由于粒子中绝大多数是强子，而且轻子只有6个（这里没有包括其反粒子），于是科学家猜测：从某种意义上说，轻子是比强子更基本的粒子，而强子是复合体系，其中包含更少的和更基本的单元，强子是由更简单的粒子——夸克组成的．
二、夸克名字的由来
夸克模型是1964年由盖尔曼（Murrey Gell－Mann）和兹威格（G．Zweig）独立引入的，他们认为强子是由三种更基本的粒子组成的．盖尔曼称组成强子的新粒子为夸克（quarks），而兹威格称它们为爱斯（aces），像纸牌中爱斯（A）一样〔3〕．盖尔曼借用了詹姆斯·乔埃斯（James Joyce）写的一首题为《芬尼根的彻底祭》的长诗中的一句：“向麦克老大三呼夸克”．这里夸克是海鸟的叫声，用三声称呼三种基本粒子〔4〕．夸克的称呼一直被沿用至今．这些名字，无论夸克或爱斯，仅仅表明作者的俏皮话，并没有必要深究．
三、最初的三味夸克
根据夸克模型，通常用u、d、s来代表三个夸克（夸克的总称用q代表），u（up）称为上夸克，d（down）称为下夸克，s（strange）称为奇异夸克或奇夸克，称三种夸克为三味．他们推测出夸克的各种量子数如表1所示．
表1 夸克的量子数
s B Q I Iz S Y
上夸克u 1／2 1／3 2／3 1／2 1／2 0 1／3
下夸克d 1／2 1／3 －1／3 1／2 -1／2 0 1／3
奇夸克s 1／2 1／3 －1／3 0 0 -1 -2／3
注：s为粒子的自旋，B为重子数，Q为电荷，I为同位旋，Iz为同位旋分量，S为奇异数，Y＝（B＋S）为超荷〔5〕．
由表1可知：夸克的性质是奇特的，而且是带分数电荷，这是人们始料不及的．根据强子结构的夸克模型，重子是由三个夸克构成的，如质子p（uud）、中子n（udd）、Ω－（sss）、Δ－（uuu）等，而介子是由正反两种夸克构成的，如π＋（u）、π－（d）等，由夸克的各种量子数可推算出强子对应的量子数，也就是上一层次的性质由下一层次粒子的性质决定的．（注、、为u、d、s的反夸克）
四、夸克的三色
在上述粒子中，如Ω－（sss），Δ＋＋（uuu），由于夸克是费米子（自旋为半整数的粒子），夸克都处于基态时，三个相同的夸克处于相同的状态，这违背了泡利不相容原理（泡利不相容原理：对于半整数的费米子，不允许有两个或两个以上相同的粒子处于同一状态）．为解决这个矛盾，1964年格林伯格（D．W．Greenberg）为夸克引入了一个新的量子数——色量子数（这不是光学上真正的颜色的原意，而只是借用了这个名称），以表示同味夸克还有不同的种类，称之为“色荷”（与电荷类比）．他根据SU（3）群论，指定夸克有三色：红（R）、黄（Y）、绿（G），如记作ur、uy、ug．这样由带不同色荷的同味夸克构成的粒子就不违反泡利不相容原理．夸克确定具有“色”的第一个证据是在π0介子衰变了两个光为的过程中找到的．
五粲夸克的由来
从1964年起，三夸克模型取得了巨大的成功，并于1968年由费里德曼（Jerome I．Friedman）、肯德尔（Henry W．Kendall）和泰勒（Richard E．Taylor）领导的实验组在斯坦福电子直线加速器上做的电子—质子非弹性散射实验中证实了夸克的存在．该实验结果还表明了质子里的夸克数为3〔6〕．但是，一直到1974年，美籍华人丁肇中在美国布鲁克海汶实验室发现了一个新粒子，命名为J粒子，与此同时里克特（B．Richter）在斯坦福直线加速器中心也找到了同样的粒子，命名为Ψ粒子，现在该粒子叫做J／Ψ粒子．它不能用通常的三味夸克来构成，因此又引入了一种新夸克，用c来表示，c（charm：可爱和迷人的意思）称为粲夸克．J／Ψ粒子是由粲夸克和反粲夸克构成的，粲夸克的最主要特征是它具有了一个新的量子数即粲数C，粲夸克和反粲夸克的粲数分别是＋1和－1．
六底夸克和顶夸克的由来
1977年，雷德曼（Leederman）小组在美国费米实验室发现了新粒子Υ，为解决粒子Υ不得不引入第五种夸克，它被取名为底夸克（bottom）或美（beauty）夸克，用第一个字母“b”来表示．Υ粒子是由底夸克和反底夸克构成的．底夸克的电荷为-1／3，从对称性考虑似乎还应存在一种电荷为＋1／3的夸克，这种夸克被取名为顶夸克（top）或真（truth）第六味夸克，用第一个字母“t”来表示．直到1994年5月，美国费米实验室宣布发现了第六味夸克，据目前的理论，夸克只有六种且已全部被找到．粲夸克、底夸克、顶夸克的量子数如表2所示．
表2
s B Q I Iz S Y
粲夸克c 1／2 1／3 2／3 0 0 0 4／3
底夸克b 1／2 1／3 －1／3 0 0 0 -2／3
顶夸克t 1／2 1／3 2／3 0 0 0 4／3
在粒子物理学中有一个“标准模型”，这个标准模型告诉我们，组成自然界万事万物的基本粒子是夸克和轻子．夸克构成了中子、质子和所有的原子核．它有六味三色．轻子有带电的和不带电的，带电的轻子是电子e、u子和τ重轻子，不带电的有电子中微子νe，μ子中微子νμ和τ中微子ντ，而且夸克和轻子都是成对的，即有三对夸克和三对轻子．一般称三代：
第一代（νe，e）——（u，d）；
第二代（νμ，μ）——（c，s）；
第三代（ντ，τ）——（t，b）．
其中第二代、第三代粒子好像是第一代粒子的重复再现，除了子一代比上一代质量大以外，其它物理性质各代都是非常相似的〔7〕．
七夸克是如何组成强子的
量子色动力学认为，带色的夸克通过交换胶子（胶子是强子中的电中性粒子，顾名思义，其作用是使夸克粘合而形成强子，胶子有八种）而结合，即夸克与夸克、或夸克与反夸克、或反夸克与反奈克之间通过胶子而结合在一起．凡带有色荷的粒子能放出和吸收胶子，从而实现强相互作用．吸收和放出胶子可使夸克改变颜色．而原子核内的核力是核子内夸克之间强相互作用力的剩余效应．
八夸克的渐近自由和红外禁闭
在线度大约小于10－14cm、相应能量大于1GeV（1GeV＝109eV）的区域内，夸克之间的距离越小（或能量越高），则相互作用强度越小，这个结果称为“渐近自由”．在这样的距离上，夸克的行为像是一些独立的粒子，它们之间不存在强相互作用力．然而，当能量大约小于1GeV，距离接近或大于10－13cm时，夸克间的强相互作用力似乎会很快变得非常大，以至于不可能将它们分开到宏观距离而成为自由夸克．这种情况称为“红外禁闭”．强作用的红外禁闭性质表明，自由夸克不能存在，它只能永远被禁闭在强子内〔8〕．
夸克是否就是自然界中最小的不可再分割的粒子呢?在现在的高能物理的尺寸范围内（10－16cm），夸克仍是点粒子，没有结构．但有人估计，夸克极有可能是有结构的．我们期待科学的进一步发展．
1、所有的重子都是由三个夸克组成的，反重子则是由三个相应的反夸克组成的，比如质子，中子。
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。 6种夸克[编辑本段]性质 它们具有分数电荷，是电子电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2或-1/2。 最初解释强相互作用粒子的理论需要三种夸克，叫做夸克的三种味，它们分别是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇夸克[1](strange,s)。
1974年发现了J/ψ粒子，要求引入第四种夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c)。1977年发现了Υ粒子，要求引入第五种夸克底夸克(bottom,b)。1994年发现第六种夸克顶夸克(top,t)，人们相信这是最后一种夸克。
夸克理论认为，所有的重子都是由三个夸克组成的，比如质子（uud），中子（udd）；反重子则是由三个相应的反夸克组成的。夸克理论还预言了存在一种由三个奇异夸克组成的粒子（sss），这种粒子于1964年在氢气泡室中观测到，叫做负ω粒子。
顶、底、奇、魅夸克由于质量太大（参见下表），很短的时间内就会衰变成上夸克或下夸克。 夸克按其特性分为三代，如下表所示： 世代 自旋 特色 中英文名称 符号 带电量 / e 质量 / 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 奇异夸克（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 顶（真）夸克（Top quark） t + 2/3 171400 ± 2100 中国的部分物理学家称夸克为层子，因为他们认为：即使层子也不是物质的始元，也只不过是物质结构无穷层次中的一个层次而已。
在量子色动力学中，夸克除了具有“味”的特性外，还具有三种“色”的特性，分别是红、绿和蓝。这里“色”并非指夸克真的具有颜色，而是借“色”这一词形象地比喻夸克本身的一种物理属性。量子色动力学认为，一般物质是没有“色”的，组成重子的三种夸克的“颜色”分别为红、绿和蓝，因此叠加在一起就成了无色的。
因此计入6种味和3种色的属性，共有18种夸克，另有它们对应的18种反夸克。 夸克理论还认为，介子是由同色的一个夸克和一个反夸克组成的束缚态。例如，日本物理学家汤川秀树预言的[[π+介子]]是由一个上夸克和一个反下夸克组成的，π-介子则是由一个反上夸克和一个下夸克组成的，它们都是无色的。
除顶夸克外的五种夸克已经通过实验发现它们的存在，华裔科学家丁肇中便因发现魅夸克（又叫J粒子）而获诺贝尔物理学奖。近十年来高能粒子物理学家的主攻方向之一是顶夸克 (t)。 至于1994年最新发现的第六种“顶夸克”，相信是最后一种，它的发现令科学家得出有关夸克子的完整图像，有助研究在宇宙大爆炸之初少于一秒之内宇宙如何演化，因为大爆炸最初产生的高热，会产生顶夸粒子。
研究显示，有些恒星在演化末期可能会变成“夸克星”。当星体抵受不住自身的万有引力不断收缩时，密度大增会把夸克挤出来，最终一个太阳大小的星体可能会萎缩到只有七、八公里那么大，但仍会发光。 夸克理论认为，夸克都是被囚禁在粒子内部的，不存在单独的夸克。
一些人据此提出反对意见，认为夸克不是真实存在的。然而夸克理论做出的几乎所有预言都与实验测量符合的很好，因此大部分研究者相信夸克理论是正确的。 1997年，俄国物理学家戴阿科诺夫等人预测，存在一种由五个夸克组成的粒子，质量比氢原子大50％。
2001年，日本物理学家在SP环－8加速器上用伽马射线轰击一片塑料时，发现了五夸克粒子存在的证据。随后得到了美国托马斯·杰裴逊国家加速器实验室和莫斯科理论和实验物理研究所的物理学家们的证实。这种五夸克粒子是由2个上夸克、2个下夸克和一个反奇异夸克组成的，它并不违背粒子物理的标准模型。
这是第一次发现多于3个夸克组成的粒子。研究人员认为，这种粒子可能仅是“五夸克”粒子家族中第一个被发现的成员，还有可能存在由4个或6个夸克组成的粒子。 陆陆续续地，共有九个实验群组宣称发现了penta-quark的证据。
但是在其它较高能的实验组及其数据中，包括使用轻子对撞器如德国 DESY 的 ZEUS 实验，以及日本 KEK 的 Belle 与美国 SLAC 的 BaBar 两大 B介子工厂实验、以及使用强子对撞器的美国 费米实验室中的 CDF 与 D∅ 实验，都没有观测到应该存在的证据。
因此，所谓的五夸克粒子(penta-quark)存在与否，还是一个极具争论性的话题。同时，春天八号也计划将会再提升其效能，以比目前强10倍的辐射光，获取更大量的实验数据，来进行统计上的确认。 现在人类只是大胆假设、科学求证，夸克是为了解释一些目前人类无法解释的现象而提出的可能存在的假设，但人类一直没找到夸克存在的直接证据。
收起
