夸克竟然是楊振寧發現的？關於夸克的那些事兒（上）

夸克（英語：quark）是一種參與強相互作用的基本粒子，也是構成物質的基本單元。夸克互相結合，形成一種複合粒子，叫強子。強子中最穩定的是質子和中子，它們是構成原子核的單元。由於一種叫「夸克禁閉」的現象，夸克不能夠直接被觀測到，或是被分離出來，只能夠在強子裡面找到。基於這個原因，我們對夸克的所知大都是間接的來自對強子的觀測。

中文名：夸克

外文名：quark

理論提出者：默裡·蓋爾曼和G.茨威格

名稱來源：《芬尼根的守靈夜》的詞句

證實機構：斯坦福直線加速器中心（SLAC）

被作用力：強力、弱力、電磁力、引力

上夸克質量：1.7 to 3.3（ MeV/c2）

下夸克質量：4.1 to 5.8（ MeV/c2）

粲夸克質量：1,270+70−90（ MeV/c2）

奇夸克質量：101+29−21（ MeV/c2）

頂夸克質量：172,000±900 ±1,300（ MeV/c2）

底夸克質量：4,190+180−60（ MeV/c2）

夸克種類

目前，我們已知的夸克有六種。夸克的種類被稱為「味」，它們是上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及頂（t）。上及下夸克的質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量的態變成低質量態的過程。就是由於這個原因，上及下夸克一般來說很穩定，所以它們在宇宙中很常見，而奇、粲、頂及底則只能經由高能粒子的碰撞產生（例如宇宙射線及粒子加速器）並很快衰變。

夸克特性

夸克有著多種不同的內在特性，包括電荷、色荷、自旋及質量等。在粒子物理的標準模型中，夸克是唯一一種能經受全部四種基本相互作用（電磁、引力、強相互作用及弱相互作用）的基本粒子。另外，夸克也是現在已知唯一一種基本電荷為非整數的粒子。夸克的每一種味都有一種對應的反粒子，叫反夸克，它跟夸克的不同之處只在於它的一些特性跟夸克大小一樣但符號不同。

由夸克構成的強子根據其自旋可以分為重子（自旋為半奇數）和介子（自旋為整數）。所有的重子，比如質子和中子，都是由三個夸克組成的（反重子則是由三個反夸克組成的）。質子由兩個上夸克和一個下夸克組成，中子是由兩個下夸克和一個上夸克組成。而所有的介子都是由一對正–反夸克構成。

發現夸克

上世紀5、60年代實驗上觀測到200多個強子。因此，探索如此大數目強子可能的內部結構並建立它們的「元素周期表」成為當時粒子物理學家思考的問題。正是這些探索導致了夸克概念的提出。早在1949年，費米（E. Fermi）和楊振寧（C. N. Yang）首先嘗試用質子和反質子、中子和反中子等來解釋π介子。但費米–楊模型不能很好地解釋奇異粒子，因為p和n都不是奇異粒子，所以由它們也就不可能構成奇異粒子。接著，日本物理學家坂田昌一（S. Sakata）提出了強子的複合模型。該模型認為所有強子都由三種更為「基本」的粒子所構成，這三種基本粒子是質子、中子和一種奇異粒子亦即Λ粒子。坂田模型在解釋強相互作用粒子或又稱為強子中的介子家族（如π、Κ）的分類和有關性質上是高度地獲得成功的。但是，將坂田模型應用於研究強子中的重子家族，其結果卻不很理想。基於當時的一些進展，1964年，美國物理學家默裡·蓋爾曼和喬治·茨威格各自獨立提出了強子的夸克模型。

在這一模型中子、質子這一類強子是由更基本的單元—quark組成的。它們具有分數電荷，是基本電量的+2/3或-1/3倍，自旋為1/2。其空間尺度是微觀粒子中最小的，大約小於10的-19次方米。在最初的夸克模型中，用上、下和奇這三種夸克及其反粒子就可以解釋當時已發現的強子並且預言了Ω並很快沒實驗所觀測到。夸克模型在建立之初並沒有什麼能證實夸克存在的物理證據，直到1968年SLAC開發出深度非彈性散射實驗為止。目前，實驗上已經觀測到六味夸克，而最早於1995年在費米實驗室被觀測到的頂夸克，是最後發現的一種。

名稱來源

夸克一詞是蓋爾曼取自詹姆斯·喬伊斯（James Joyce）的小說《芬尼根的守靈夜》（「Finnegans Wake」）的詞句「向麥克老人三呼夸克（Three quarks for Muster Mark）」。另外夸克在該書中具有多種含義，其中之一是一種海鳥的叫聲。他認為這適合他最初認為「基本粒子不基本、基本電荷非整數」的奇特想法，但同時他也指出這只是一個笑話，這是對矯飾的科學語言的反抗。另外，也可能是出於他對鳥類的喜愛[7]。

由二個上夸克及一個下夸克所構成的質子

夸克一詞是蓋爾曼取自詹姆斯·喬伊斯的小說《芬尼根的守靈夜》的詞句「向麥克老人三呼夸克（Three quarks for Muster Mark）」。無非是指一個質子中有三個夸克。另外夸克在該書中具有多種含義，其中之一是一種海鳥的叫聲。他認為，這適合他最初認為「基本粒子不基本、基本電荷非整數」的奇特想法，同時他也指出這只是一個笑話，這是對矯飾的科學語言的反抗。另外，也可能是出於他對鳥類的喜愛。

蓋爾曼原本想用鴨的叫聲來命名夸克。開始時他並不太確定自己這個新詞的實際拼法，直到他在詹姆斯·喬伊斯小說《芬尼根守靈夜》裡面找到「夸克」這個詞：

向麥克老大三呼夸克！

——《芬尼根守靈夜》，詹姆斯·喬伊斯

蓋爾曼在其著作《夸克與美洲豹》中，更詳細地述說了夸克這個詞的由來：

在1963年，我把核子的基本構成命名為「夸克」（quark），我先有的是聲音，而沒有拼法，所以當時也可以寫成「郭克」（kwork）。不久之後，在我偶爾翻閱詹姆斯·喬伊斯所著的《芬尼根守靈夜》時，我在「向麥克老大三呼夸克」這句中看到夸克這個詞。由於「夸克」（字面上意為海鷗的叫聲）很明顯是要跟「麥克」及其他這樣的詞押韻，所以我要找個藉口讓它讀起來像「郭克」。但是書中代表的是酒館老闆伊厄威克的夢，詞源多是同時有好幾種。書中的詞很多時候是酒館點酒用的詞。所以我認為或許「向麥克老大三呼夸克」源頭可能是「敬麥克老大三個夸脫」，那麼我要它讀「郭克」也不是完全沒根據。再怎麼樣，字句裡的三跟自然中夸克的性質完全不謀而合。

茨威格則用「埃斯」（Ace）來稱呼他所理論化的粒子，但是在夸克模型被廣泛接納時，蓋爾曼的用詞就變得很有名。很多中國物理學家則稱夸克為「層子」，在臺灣地區亦曾翻譯「虧子」，但並不普遍使用。

夸克味的命名都是有原因的。上夸克和下夸克被這樣叫是源於同位旋的上、下兩個分量，而它們確實各自帶有這樣一個量。奇夸克這個名字是因為它們是在宇宙射線的奇異粒子中被發現的。發現奇異粒子的時候還沒有夸克理論，它們被視為「奇異」是因為它們的壽命不尋常地長。粲夸克的命名主要是來自美妙的對稱性而得名。跟比約肯（James D. Bjorken）一起提出粲夸克的格拉肖（Sheldon L. Glashow）說過：「我們把它叫粲夸克是因為在構建它的過程中見到它為亞原子世界所帶來的對稱。我們被這種美迷住了，對成果感到很滿意。」至於「頂」和「底」這兩個名字，哈拉裡（Haim Harari）決定這樣做，是因為「它們是上夸克和下夸克邏輯上的夥伴」。以前，底夸克和頂夸克有時會分別被叫作「美」夸克和「真」夸克（它們用英文字母表示都為「b」和「t」，但這兩個名字已經很少人會用了。