夸克

一、基本介绍
夸克（英语：quark，又译“层子”或“亏子”）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夸克。

就是因为这个原因，我们对夸克的所知大都是来自对强子的观测。

（一个质子和一个反质子在高能下碰撞，产生了一对几乎自由的夸克。

）
二、基本特征
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、引力、强相互作用及弱相互作用）。

夸克同时是现时已知唯一一种基本电荷非整数的粒子。

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。

提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——Quark组成的。

它们具有分数电荷，是基本电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。

遵循“渐近自由”原理。

三、分类
我们知道夸克有六种，夸克的种类被称为“味”，它们是上、下、粲、奇、底及顶。

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（例如宇宙射线及粒子加速器）。

参见：标准模型
标准模型是描述所有已知基本粒子的理论框架，同时还包括希格斯玻色子。

此模型包含六种味的夸克（q）：上（u）、下（d）、奇（s）、魅（c）、底（b）及顶（t）。

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，但两者的电荷及其他荷的正负则相反。

夸克的自旋为⁄2，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份）。

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（见重子列表及介子列表），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“奇特重子”，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。

（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，第一秒的最早部份会存有重夸克，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、引力、强相互作用及弱相互作用。

[4]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。

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引力。

关于六种夸克味更完整的概述，可见于下文中的列表。

所有的中子都是由三个夸克组成的，反中子则是由三个相
由二个上夸克及一个下夸克所构成的质子
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。

性质
电荷
夸克的电荷值为分数——基本电荷的−1⁄3倍或+2⁄3倍，随味而定。

上、粲及顶夸克（这三种叫“上型夸克”）的电荷为+2⁄3，而下、奇及底夸克（这三种叫“下型夸克”）的则为−1⁄3。

反夸克与其所对应的夸克电荷相反；上型反夸克的电荷为−2⁄3，而下型反夸克的电荷则为+1⁄3。

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”），但是由于科学家们认为基本粒子应是点粒子，所以上述这个看法有点儿误导。

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1⁄2粒子。

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+1⁄2，下箭头↓来代表−1⁄2，然后在后加上味的符号。

例如，一自旋为+1⁄2的上夸克可被写成u↑。

弱相互作用
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）及一反电子中微子（νe）（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子中微子。

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
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，它是由一种叫胶子的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。

跟基本光学的颜色叠加一样，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，是一种叫规范对称的空间对称群（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。

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）。

每一种夸克味，f，下面都有三种小分类fB、fG和fR，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。

质量
在提及夸克质量时，需要用到两个词：一个是“净夸克质量”，也就是夸克本身的质量；另一个是“组夸克质量”，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。

一个强子中的大部份的质量，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；其余大部份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，而这个机制跟未被发现的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+1/3。

反夸克的话，电荷（Q）及其他味量子数（B、I3、C、S、T及B′）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：
J=总角动量、B=重子数、Q=电荷、I3 =同位旋,C=粲数、S=奇异数、T=顶数及B′ =底数。

* 像4,190+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。