基本概述

　　我們知道夸克有六種,，夸克的種類被稱為“味”,，它們是上、下,、魅,、奇、底及頂,。上及下夸克的質(zhì)量是所有夸克中最低的,。較重的夸克會通過一個叫粒子衰變的過程，來迅速地變成上或下夸克,。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,。就是因為這個原因，上及下夸克一般來說很穩(wěn)定,，所以它們在宇宙中很常見,，而奇、魅,、頂及底則只能經(jīng)由高能粒子的碰撞產(chǎn)生（例如宇宙射線及粒子加速器）,。

　　夸克有著多種不同的內(nèi)在特性，包括電荷,、色荷,、自旋及質(zhì)量等。在標(biāo)準(zhǔn)模型中,，夸克是唯一一種能經(jīng)受全部四種基本相互作用的基本粒子,，基本相互作用有時會被稱為“基本力”（電磁、引力,、強相互作用及弱相互作用）,。夸克同時是現(xiàn)時已知唯一一種基本電荷非整數(shù)的粒子,?？淇嗣恳环N味都有一種對應(yīng)的反粒子，叫反夸克,，它跟夸克的不同之處,，只在于它的一些特性跟夸克大小一樣但正負(fù)不同。

　　夸克模型分別由默里·蓋爾曼與喬治·茨威格于1964年獨立地提出,。引入夸克這一概念,，是為了能更好地整理各種強子，而當(dāng)時并沒有什么能證實夸克存在的物理證據(jù),，直到1968年SLAC開發(fā)出深度非彈性散射實驗為止,。夸克的六種味已經(jīng)全部被加速器實驗所觀測到,；而最早于1995年在費米實驗室被觀測到的頂夸克,，是最后發(fā)現(xiàn)的一種,。

分類介紹

　　標(biāo)準(zhǔn)模型是描述所有已知基本粒子的理論框架，同時還包括希格斯玻色子,。此模型包含六種味的夸克（q）：上（u）,、下（d）、奇（s）,、魅（c）,、底（b）及頂（t）?？淇说姆戳Ｗ咏蟹纯淇?，在對應(yīng)的夸克符號上加一橫作為標(biāo)記，例如u代表反上夸克,。跟一般反物質(zhì)一樣,，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,。

　　夸克的自旋為1?2，因此根據(jù)自旋統(tǒng)計定理,，它們是費米子,。它們遵守泡利不相容原理，即兩個相同的費米子,，不能同時擁有相同的量子態(tài)。這點跟玻色子相反（擁有整數(shù)自旋的粒子）,，在相同的量子態(tài)上,，相同的玻色子沒有數(shù)量限制。跟輕子不同的是,，夸克擁有色荷,，因此它們會參與強相互作用。因為這種夸克間吸引力的關(guān)系,，而形成的復(fù)合粒子,，叫做“強子”（見下文強相互作用與色荷部份）。

　　在強子中決定量子數(shù)的夸克叫“價夸克”,；除了這些夸克,，任何強子都可以含有無限量的虛（或“海”）夸克,、反夸克,，及不影響其量子數(shù)的膠子。強子分兩種：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。我們已經(jīng)知道有很多不同的強子（見重子列表及介子列表）,，它們的不同點在于其所含的夸克,，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。過去所有搜尋第四代基本粒子的研究均以失敗告終,，又有有力的間接證據(jù)支持不會有超過三代,。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,，于是它們會通過弱相互作用,，衰變成代數(shù)較低的粒子。在自然中,，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,；然而,，科學(xué)家們相信大爆炸后，第一秒的最早部份會存有重夸克,，那時宇宙處于溫度及密度極高的狀態(tài)（夸克時期）,。重夸克的實驗研究都在人工的環(huán)境下進行，例如粒子加速器,。

　　同時擁有電荷,、質(zhì)量、色荷及味,，夸克是唯一一種能經(jīng)受現(xiàn)代物理全部四種相互作用的已知粒子,，這四種作用為：電磁、引力,、強相互作用及弱相互作用,。對于個別粒子的相互作用而言，除非是在極端的能量（普朗克能量）及距離尺度（普朗克距離）下,，引力實在是小得微不足道,。然而,，由于現(xiàn)時仍沒有成功的量子引力理論，所以標(biāo)準(zhǔn)模型并不描述引力,。

　　關(guān)于六種夸克味更完整的概述,，可見于下文中的列表。

發(fā)展歷程

　　夸克模型于1964年由物理學(xué)家默里·蓋爾曼[19]和喬治·茨威格（George Zweig）獨立提出,。在這個提案前不久的1961年,，蓋爾曼提出了一種粒子分類系統(tǒng)，叫“八重道”——或技術(shù)上應(yīng)叫SU(3)味對稱,。以色列物理學(xué)家尤瓦勒·內(nèi)埃曼（Yuval Ne'eman）,，在同年亦獨立地開發(fā)出一套跟八重道相近的理論。

　　在夸克理論的初期,，當(dāng)時的“粒子動物園”除了其他各種粒子,，還包括了許多強子。蓋爾曼和茨威格假定它們不是基本粒子,，而是由夸克和反夸克組成的,。在他們的模型中，夸克有三種味,，分別是上,、下及奇，他們把電荷及自旋等性質(zhì)都?xì)w因于這些味,。初時物理學(xué)界對于這份提案的意見不一,。當(dāng)時學(xué)界對于夸克的本質(zhì)有所爭論，一方認(rèn)為夸克是物理實體,，另一方則認(rèn)為,，它只是用來解釋當(dāng)時未明物理的抽象概念而已。

　　在一年之內(nèi),，就有人提出了蓋爾曼－茨威格模型的延伸方案。謝爾登·李·格拉肖和詹姆斯·布約肯（James Bjorken）預(yù)測有第四種夸克存在,，他們把它叫做“魅”,。加上第四種夸克的原因有三：一、能更好地描述弱相互作用（導(dǎo)致夸克衰變的機制）,；二,、夸克的數(shù)量會變得與當(dāng)時已知的輕子數(shù)量一樣；三,、能產(chǎn)生一條質(zhì)量方程,，可以計算出已知介子的質(zhì)量。

　　史丹佛線性加速器中心（SLAC）的深度非彈性散射實驗在1968年指出,，質(zhì)子含有比自己小得多的點狀物,，因此質(zhì)子并非基本粒子,。物理學(xué)家當(dāng)時并不愿意把這些物體視為夸克，反而叫它們做“成子”（parton）——一個由理查德·費曼所創(chuàng)造的新詞隨著更多味的發(fā)現(xiàn),，在SLAC所觀測到的粒子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,，是重子構(gòu)成物（夸克,、反夸克和膠子）的總稱。

　　奇夸克的存在由SLAC的散射實驗間接證實：奇夸克不但是蓋爾曼和茨威格三夸克模型的必要部份,，而且還解釋到1947年從宇宙射線中發(fā)現(xiàn)的K和π強子,。

　　在1971年的一份論文中，格拉肖,、約翰·李爾普羅斯和盧奇亞諾·馬伊阿尼（Luciano Maiani）一起對當(dāng)時尚未發(fā)現(xiàn)的粲夸克,，提出更多它存在的理據(jù)。到1973年,，小林誠和益川敏英指出再加一對夸克,，就能解釋實驗中觀測到的CP破壞，于是夸克應(yīng)有的味被提升到現(xiàn)時的六種,。

　　粲夸克在1974年被兩個研究小組幾乎同時發(fā)現(xiàn)（見十一月革命）——一組在SLAC,，由伯頓·里克特領(lǐng)導(dǎo)；而另一組則在布魯克黑文國家實驗室,，由丁肇中領(lǐng)導(dǎo),。觀測到的粲夸克在介子里面，與一個反粲夸克束縛在一起,。兩組分別為這種介子起了不同的名子：J及ψ,；因此這種粒子的正式名子叫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,。

　　在之后的幾年,，有一些把夸克數(shù)量增至六個的提案。其中,，以色列物理學(xué)家哈伊姆·哈拉里（Haim Harari）在1975年的論文中,，最早把加上的夸克命名為“頂”及“底”。

　　底夸克在1977年被利昂·萊德曼領(lǐng)導(dǎo)的費米實驗室研究小組觀測到,。這是一個代表頂夸克存在的有力征兆：沒有頂夸克的話,，底夸克就沒有伴侶。然而一直都沒有觀測到頂夸克,，直至1995年,，終于被費米實驗室的CDF及D?小組觀測到。它的質(zhì)量比之前預(yù)料的要大得多——幾乎跟金原子一樣重。

基本性質(zhì)

電荷

　　夸克的電荷值為分?jǐn)?shù)——基本電荷的?1?3倍或+2?3倍,，隨味而定,。上、魅及頂夸克（這三種叫“上型夸克”）的電荷為+2?3,，而下,、奇及底夸克（這三種叫“下型夸克”）的則為?1?3。反夸克與其所對應(yīng)的夸克電荷相反,；上型反夸克的電荷為?2?3,，而下型反夸克的電荷則為+1?3。由于強子的電荷,，為組成它的夸克的電荷總和,，所以所有強子的電荷均為整數(shù)：三個夸克的組合（重子）、三個反夸克（反重子）,，或一個夸克配一個反夸克（介子）,，加起來電荷值都是整數(shù)。例如,，組成原子核的強子,，中子和質(zhì)子，其電荷分別為0及+1,；中子由兩個下夸克和一個上夸克組成,，而質(zhì)子則由兩個上夸克和一個下夸克組成。

自旋

　　自旋是基本粒子的一種內(nèi)在特性,，它的方向是一項重要的自由度,。在視像化時，有時它會被視為一沿著自己中軸轉(zhuǎn)動的物體（所以名叫“自旋”）,，但是由于科學(xué)家們認(rèn)為基本粒子應(yīng)是點粒子,，所以上述這個看法有點兒誤導(dǎo)。

　　自旋可以用矢量來代表,，其長度可用約化普朗克常數(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↑。

弱相互作用

　　夸克只能通過弱相互作用,，由一種味轉(zhuǎn)變成另一種味,，弱相互作用是粒子物理學(xué)的四種基本相互作用之一。任何上型的夸克（上,、魅及頂夸克）,，都可以通過吸收或釋放一W玻色子，而變成下型的夸克（下,、奇及底夸克）,，反之亦然。這種變味機制正是導(dǎo)致β衰變這種放射過程的原因,，在β衰變中,，一中子（n）“分裂”成一質(zhì)子（p）、一電子（e?
）及一反電中微子（νe）,。在β衰變發(fā)生時,，中子（udd）內(nèi)的一下夸克在釋放一虛W?玻色子后，隨即衰變成一上夸克,，于是中子就變成了質(zhì)子（uud）,。隨后W?玻色子衰變成一電子及一反電中微子。

強相互作用與色荷

　　夸克有一種叫“色荷”的性質(zhì),。色荷共分三種,，可任意標(biāo)示為“藍”、“綠”及“紅”每一種色荷都有其對應(yīng)的反色荷——“反藍”,、“反綠”及“反紅”,。每一個夸克都帶一種色，而每一個反夸克則帶一種反色,。

　　掌管夸克間吸引及排斥的系統(tǒng),，是由三種色的各種不同組合所負(fù)責(zé)，叫強相互作用,，它是由一種叫膠子的規(guī)范玻色子所傳遞的,；下文中有關(guān)于膠子更詳細(xì)的討論。描述強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,。

　　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（見規(guī)范場論）,。色荷SU(3)（一般簡寫成SU(3)c）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，即使座標(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,、紅和綠。SU(3)c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,、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)c的基本表示,。這個時候SU(3)c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

　　在提及夸克質(zhì)量時,，需要用到兩個詞：一個是“凈夸克質(zhì)量”,，也就是夸克本身的質(zhì)量；另一個是“組夸克質(zhì)量”,，也就是凈夸克質(zhì)量加上其周圍膠子場的質(zhì)量,。這兩個質(zhì)量的數(shù)值一般相差甚遠,。一個強子中的大部份的質(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,，它們擁有能量——更準(zhǔn)確地,，應(yīng)為量子色動力學(xué)束縛能（QCBE）——就是它為強子提供了這么多的質(zhì)量（見狹義相對論中的質(zhì)量）。例如,，一個質(zhì)子的質(zhì)量約為938 MeV/c2,，其中三個價夸克大概只有11 MeV/c2；其余大部份質(zhì)量都可以歸咎于膠子的QCBE,。

　　標(biāo)準(zhǔn)模型假定所有基本粒子的質(zhì)量,，都是來自希格斯機制，而這個機制跟希格斯玻色子有關(guān)系,。頂夸克有著很大的質(zhì)量,，一個頂夸克大約跟一個金原子核一樣重（~171 GeV/c2），而透過研究為什么頂夸克的質(zhì)量那么大,，物理學(xué)家希望能找到更多有關(guān)于夸克,，及其他基本粒子的質(zhì)量來源。