量子物理学夸克Word格式文档下载.docx
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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、魅、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）。
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。
夸克模型分别由默里·
盖尔曼与乔治·
茨威格于1964年独立地提出[5]。
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实验为止[6][7]。
夸克的六种味已经全部被加速器实验所观测到；
而最早于1995年在费米实验室被观测到的顶夸克，是最后发现的一种[5]。
目录
[隐藏]
∙1
分类
∙2
历史
o2.1
命名
∙3
性质
o3.1
o3.2
o3.3
弱相互作用
o3.4
强相互作用与色荷
o3.5
质量
o3.6
性质列表
∙4
相互作用中的夸克
o4.1
海夸克
o4.2
夸克物质的其他相
∙5
另见
∙6
注解
∙7
参考资料
∙8
延伸阅读
∙9
外部链接
分类[编辑]
参见：
标准模型
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。
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[8]。
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）[4]。
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[9]。
夸克的自旋为1⁄2，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[10]。
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[11]。
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[12]。
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[13]。
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[14]，它们的存在仍未被证实[注1][14][15]。
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[16]，又有有力的间接证据支持不会有超过三代[注2][17]
。
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[18]。
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[13]。
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。
历史[编辑]
盖尔曼，摄于2007年的TED大会。
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[19]和乔治·
茨威格（GeorgeZweig）[20][21]独立提出[5]。
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SU（3）味对称[22]。
以色列物理学家尤瓦勒·
内埃曼（YuvalNe'
eman），在同年亦独立地开发出一套跟八重道相近的理论[23][24]。
在夸克理论的初期，当时的“粒子动物园”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，分别是上、下及奇，他们把电荷及自旋等性质都归因于这些味[19][20][21]。
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[25]。
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·
格拉肖和詹姆斯·
布约肯（JamesBjorken）预测有第四种夸克存在，他们把它叫做“魅”。
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，可以计算出已知介子的质量[26]。
史丹佛线性加速器中心（SLAC）的深度非弹性散射实验在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[6][7][27]。
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”（parton）——一个由理查德·
费曼所创造的新词[28][29][30]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[31]。
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份，而且还解释到1947年从宇宙射线中发现的K和π强子[32]。
在1971年的一份论文中，格拉肖、约翰·
李尔普罗斯和卢奇亚诺·
马伊阿尼（LucianoMaiani）一起对当时尚未发现的粲夸克，提出更多它存在的理据[33][34]。
到1973年，小林诚和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[注3][35]，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[30]。
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（HaimHarari）在1975年的论文[36]中，最早把加上的夸克命名为“顶”及“底”[37]。
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[38][39]。
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，终于被费米实验室的CDF[40]及DØ
小组[41]观测到[5]。
它的质量比之前预料的要大得多[42]——几乎跟金原子一样重[43]。
命名[编辑]
盖尔曼原本想用鸭的叫声来命名夸克[44]。
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《芬尼根守灵夜》里面找到“夸克”这个词：
“
向麦克老大三呼夸克！
”
——《芬尼根守灵夜》，詹姆斯·
乔伊斯
[45]
盖尔曼在其著作《夸克与美洲豹》中，更详细地述说了夸克这个词的由来[46]：
在1963年，我把核子的基本构成部份命名为“夸克”（quark），我先有的是声音，而没有拼法，所以当时也可以写成“郭克”（kwork）。
不久之后，在我偶尔翻阅詹姆斯·
乔伊斯所著的《芬尼根守灵夜》时，我在“向麦克老大三呼夸克”这句中看到夸克这个词。
由于“夸克”（字面上意为海鸥的叫声）很明显是要跟“麦克”及其他这样的词押韵，所以我要找个借口让它读起来像“郭克”。
但是书中代表的是酒馆老板伊厄威克的梦，词源多是同时有好几种。
书中的词很多时候是酒馆点酒用的词。
所以我认为或许“向麦克老大三呼夸克”源头可能是“敬麦克老大三个夸脱”，那么我要它读“郭克”也不是完全没根据。
再怎么样，字句里的三跟自然中夸克的性质完全不谋而合。
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[47]。
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[48]。
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[49]。
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。
”[50]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”[36][37][49]。
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[51]。
性质[编辑]
电荷[编辑]
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、魅及顶夸克（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[52]。
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[13]。
自旋[编辑]
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[53]。
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[54]。
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↑[55]。
弱相互作用[编辑]
主条目：
图为β衰变的费曼图，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、魅及顶夸克），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[56]。
n
→
p
+
e−
ν
（β衰变，重子标记）
udd
uud
（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[57]：
，
其中Vij
代表一夸克味i
变成夸克味j（反之亦然）的可能性[注4]。
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）[58]。
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[59]。
强相互作用与色荷[编辑]
色荷及强相互作用
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”[注5]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。
[60]
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[61]。
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[62]。
物理学定律不受空间的方向（如x、y及z）所限，即使座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[63]，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[64]。
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[62][65]。
质量[编辑]
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[66]。
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[67][68]。
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（~171GeV/c2）[67][69]，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[70]。
性质列表[编辑]
味（粒子物理学）
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）、魅数（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：
夸克味的性质[67]
名称
质量（MeV/c2）*
J
B
Q
I3
C
S
T
B′
反粒子符号
第一代
上
u
1.7to3.3
+1⁄3
+2⁄3
+1⁄2
反上
下
d
4.1to5.8
−1⁄3
−1⁄2
反下
第二代
魅
c
1,270+70
−90
+1
反魅
奇
s
101+29
−21
−1
反奇
第三代
顶
t
172,000±
900
±
1,300
反顶
底
b
4,190+180
−60
反底
J
=
总角动量、B
重子数、Q
电荷、I3
同位旋,
C
魅数、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。
相互作用中的夸克[编辑]
夸克禁闭及胶子
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（它是通用表述微扰理论的一部份），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[71][72][73]。
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[74]。
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[72][75]
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[76]。
海夸克[编辑]
除影响量子数的价夸克（（q
v）之外，强子也含有虚夸克－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”[77]。
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[78]。
夸克物质的其他相[编辑]
QCD物质
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[79][80]。
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－胶子等离子体[81]。
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[82]。
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[83]。
夸克－胶子等离子体的特点是，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－胶子等离子体，因为当时的温度实在太高，重子会不稳定[84]。
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，此时色荷能够在无色阻的情况下通过[85]。
另见[编辑]
物理主题首页
∙夸克星
∙奇异夸克团
∙毛粒子
注解[编辑]
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
玻色子的共振宽度，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）
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