夸克是什么东西？

答：

夸克理论：

1964年盖尔曼提出了夸克模型，认为介子是由夸克和反夸克所组成，重子是由三个夸克组成。他因此获1969年物理奖。

原子是由原子核和电子构成的，原子核是由质子和中子构成的，质子和中子是由什么构成的呢？这的确是轮中之轮！ “夸克”一词原指一种德国奶酪或海鸥的叫声。盖尔曼当初提出这个模型时，并不企求能被物理学家承认，因而它就用了这个幽默的词。强子是由夸克构成的。古希腊人认为，一切物质都是由为数不多的基本粒子（即他们所谓的“原子”）构成的。这一伟大的原理已被事实证明不那么好理解。基本粒子是否就是夸克？难道夸克也是复合体吗？我们一会儿再来讨论这个问题。

一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成
一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成

夸克也是一种费米子，即有自旋1/2 。

因为质子中子的自旋为1/2，那么三个夸克，如果两个自旋向上，一个自旋向下，就可以组成自旋为1/2的质子、中子。两个正反夸克可以组成自旋为整数的粒子，它们称为介子，如π介子、 J/ψ子，后者由丁肇中等人于1974年发现，它实际上是由粲夸克和反粲夸克组成的夸克对。凡是由三个夸克组成的粒子称为重子，重子和介子统称强子，因为它们都参与强相互作用，故有此名。原子核中质子间的电斥力十分强，可是原子核照样能够稳定存在，就是由于强相互作用力（核力）将核子们束缚住的。由夸克模型，夸克是带分数电荷的，每个夸克带+2/3e或-1/3e电荷（e为质子电荷单位）。现代粒子物理学认为，夸克共有6种（味道），分别称为上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克、底夸克，它们组成了所有的强子，如一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成，则上夸克带+2/3e电荷，下夸克带-1/3e电荷。上、下夸克的质量略微不同。中子的质量比质子的质量略大一点点，过去认为可能是由于中子、质子的带电量不同造成的，现在看来，这应归于下夸克质量比上夸克质量略大一点点。

夸克也有量子能级。能够通过吸收能量而受激进入较高的级位。受激的强子看上去与其他的强子一样，于是，很多先前被认为是独立的粒子现在被看作是单个夸克结合的受激状态。

夸克理论的基本预设是，夸克本身是真正浑然一体的基本粒子，是一种象点一样的物体，没有内部成分。在这方面，夸克颇象轻子，因为轻子不是由夸克组成的，它们本身似乎就是基本粒子。事实上，夸克和轻子之间有着自然的对应，使人们获得意想不到的机会得以洞见大自然的运作。 夸克和轻子之间的系统联系见下面的表1。表右边一栏是夸克的味道，左边是已知的所有轻子。要记住，轻子感受到的是弱力，而夸克感受到的是强力。轻子和夸克之间还有一个区别是，轻子或是不带电，或是只带1个单位的电荷；而夸克则带3分之1或3分之2单位的电荷。

尽管轻子与夸克有着如许的差别，但二者之间存在着深刻的数学对称，使轻子和夸克在上面的图表中有了逐层面的对应。第一个层面只有四种粒子：上、下夸克、电子及电中微子。奇怪的是，一切普通的物质竟全是这四种粒子构成的。质子和中子是由3个3个的夸克组成的，而电子只是充任构成物质的一种亚原子粒子。中微子只是跑进宇宙里，一点也不参与物质的大体构造。就我们所知，假如其他的粒子都突然消失了，只要有这四种粒子，宇宙就不会有多大变化。

亚原子粒子可分为两大类：轻子和夸克。夸克没有被发现单独存在，而是两个或三个地在一起。夸克的电荷是分数的。一切普通的物质都是由Ⅰ层面的粒子构成的。Ⅱ层面和Ⅲ层面似乎是Ⅰ层面的简单复制，其中的粒子是高度不稳定的。可能尚有未发现的层面。

下面一个层面的粒子似乎就是第一个层面的复制，只不过较重而已。第二个层面的粒子都极不稳定（中微子例外），它们所构成的各种粒子很快就衰变为层面Ⅰ的粒子。第三个层面的粒子也是这样。

于是就必然产生这样的问题：层面Ⅰ之外的其他粒子有什么用处呢？为什么大自然需要它们？在形成宇宙的过程中，它们扮演了什么角色？它们是多余的赘物？或者，它们是某种神秘的、现在尚未完全明了的过程的一部分？更为令人不解的问题是，随着将来能量越来越高的粒子加速器的出现，是否也只有这三个层面的粒子？是否会发现更多的或无穷多的层面？

虽然夸克模型当时取得了许多成功，但也遇到了一些麻烦，如重子的夸克结构理论认为，象Ω-和Δ++这样的重子可以由三个相同夸克组成，且都处于基态，自旋方向相同，这种在同一能级上存在有三个全同粒子的现象是违反泡利不相容原理的。泡利不相容原理说的是两个费米子是不能处于相同的状态中的。夸克的自旋为半整数，是费米子，当然是不能违反泡利原理的。但物理学家自有办法，你不是说三个夸克全同吗？那我给它们来个编号或着上“颜色”（红、黄、蓝），那三个夸克不就不全同了，从而不再违反泡利原理了。的确，在1964年，格林伯格引入了夸克的这一种自由度——“颜色”的概念。当然这里的“颜色”并不是视觉感受到的颜色，它是一种新引入的自由度的代名词，与电子带电荷相类似，夸克带颜色荷。这样一来，每味夸克就有三种颜色，夸克的种类一下子由原来的6种扩展到18种，再加上它们的反粒子，那么自然界一共有36种夸克，它们和轻子（如电子、 μ子、τ子及其相应的中微子）、规范粒子（如光子、三个传递控制夸克轻子衰变的弱相互作用的中间玻色子、八个传递强（色）相互作用的胶子）一起组成了大千世界。夸克具有颜色自由度的理论得到了不少实验的支持，在70年代发展成为强相互作用的重要理论——量子色动力学。
“量子色动力学”这一名称听起来有点可怕，念起来有点拗口，应该这样念：量子/色/动力学。这个理论认为，夸克是带有色荷的，胶子场是夸克间发生相互作用的媒介。这不禁让我们想起电子是带有电荷的，传递电子间相互作用的媒介是电磁场（光子场）。的确，关于电荷的动力学我们早已有了，它叫“量子电动力学”，发展于三四十年代。一般读者对电磁相互作用都有点熟悉，因此就以它为例来理解质子中子内的色相互作用。电磁场的麦克斯韦方程的量子化就是量子电动力学，具体地说，量子电动力学就是研究电子和光子的量子碰撞（即散射）的，自然，量子色动力学是研究夸克和胶子的量子碰撞的。

胶子是色场的量子，就象光子是电磁场的量子一样。胶子和光子都是质量为0、自旋为1、传递相互作用的媒介粒子，都属于规范粒子。两个电子发生相互作用是靠传递一个虚光子而发生的（虚光子只在相互作用中间过程产生，其能量和动量不成正比，不能独立存在，在产生后瞬时就湮灭。由相对论知道，自由运动的电子不能发射实光子，但可以发射虚光子。给予我们光明和热能的是实光子，它的能量和动量成正比，脱离源后，能独立存在），自然，两个夸克发生相互作用是靠传递一个虚胶子而发生的。虚胶子携带着一个夸克的部分能量和动量，交给另一个夸克，于是两个夸克就以胶子为纽带发生了相互作用。看到这里，我们会说，不是重复了一下吗？量子色动力学可以由量子电动力学依葫芦画瓢建立起来，真是太容易了！不过实际上没有这么简单。按群论的语言讲，电磁场是U（1）规范场，是一种阿贝尔规范场，群元可以交换，而胶子场是SU(3)规范场，是一种非阿贝尔规范场，群元不可以交换。一般来说，“非”总比“不非”要麻烦得多。电荷只有一种，而色荷却有三种（红、黄、蓝）；U(1)群的生成元只有一个，就是1，所以光子只有一种，而SU(3)群有八个生成元，一个生成元对应一种胶子，所以胶子共有八种；光子不带电荷，而胶子场由于是非阿贝尔规范场，场方程具有非线性项，体现了胶子的自相互作用，因而胶子也带色荷，夸克发射带色的胶子，自身改变颜色。所以胶子场比电磁场复杂，因而出现了许多不同寻常的现象和性质，其中最重要的恐怕要数“渐近自由”和“夸克幽禁”了。

中子和质子之间的强力，当然不可能是基本力，因为中子和质子本身就是复合物而不是基本粒子。当两个质子相互吸引时，我们实际上看到的，就是六种夸克相互作用的合力。夸克之间的力才是基本力。可以用描述电磁场的方式描述夸克之间的力，而夸克的色就相当于电荷。质子的对应物是所谓的“胶子”，其作用就是我们先前说过的象仿使那样，不断地在夸克之间来回跳动，将夸克胶结在一起。物理学家们仿照电动力学，把这种由“颜色”产生出来的力场理论叫作色动力学。色动力作用要比电磁力作用复杂。这有两个原因。第一，夸克有三色，而电荷却只有一种，于是，与一种光子相对应的就是八种不同的胶子。第二，胶子也有颜色，因而彼此也有很强的相互作用，而光子不带电荷，彼此间又是那么不相干。

“渐近自由”说的是两个夸克之间距离很小时，耦合常数也会变得很小，以致夸克可以看成是近自由的。耦合常数变小是由于真空的反色屏蔽效应引起的。真空中的夸克会使真空极化（即它使真空带上颜色），夸克与周围真空的相互作用导致由真空极化产生的虚胶子和正反虚夸克的极化分布，最终效果使夸克色荷变大，这称为色的反屏蔽效应（对于电荷，刚好相反，由于真空极化导致电荷吸引反号电荷的虚粒子，所以总电荷减少，这称为电的屏蔽效应。与它作比较，色的反屏蔽效应这一术语由此而来）。由于这一效应，在离夸克较小距离上看来，大距离的夸克比它带的色荷多，所以小距离上强作用相对而言变弱了，这就是所谓“渐近自由”。渐近自由是量子色动力学的一项重要成果，它使得高能色动力学可以用微扰理论计算。但是在低能情形或者说大距离情形，由于耦合常数变强及存在幽禁力，计算变得困难。

量子色动力学可以预言小距离的“渐近自由”，但是对大距离的“夸克幽禁”，量子色动力学就无法预言了，这是量子色动力学的困难。

“夸克幽禁”说的是夸克无法从质子中逃逸出去。红黄蓝三色夸克组成无色态，强子都是无色的。一旦夸克可以从质子或强子中跑出来，自然界就会存在带色的粒子;带色的粒子引起真空的进一步极化，色荷之间的幽禁势是很大的，整个真空都带上了颜色，能量很高，导致真空爆炸。实际这些都没有发生，暗示自然界不存在游离的夸克，那么我们会问：夸克倒底是一个数学技巧还是一个物理实在？研究这一问题，是对夸克模型的考验。不过，现在因为已有了夸克存在的间接证据，物理学家相信夸克是应该的确存在的。夸克为什么要被幽禁起来，物理学家已提出了几个理论。有人提出口袋模型，如认为质子是一只受真空挤压的口袋，可将夸克束缚住而逃不出来；有人提出了弦理论，认为夸克绑在弦的两端，而这条弦却难以断裂，即使一旦断裂，断裂处生成一对正反夸克，原来的强子碎裂为两个新的强子，从而自由的夸克从来不可能出现；也有人说，既然胶子带色荷，胶子之间也会有色磁吸引力，从而色力线被拉紧呈平行状，就如一个带电电容器两板因为有平行的电力线因而彼此有吸引一样，夸克之间也有类似这种吸引力；格点规范理论的面积定律证明夸

克之间有线性禁闭势存在；90年代中期塞伯和威滕用他们发展的四维空间量子场论证明磁单极凝聚也会导致夸克幽禁。

关于夸克幽禁的理论有许多，正好说明了我们对强力的了解还不够充分。

对介子谱的研究表明，夸克之间除了由于单胶子交换引起的色库仑力外，还有色禁闭力，其势是随距离线性增长的，正如上面所说，虽然不清楚线性禁闭势的来源，但可以认为正是这个势导致了夸克幽禁。但是这一观点也许要受到挑战。因为用相对论性波动方程解介子能谱，发现在无穷远处波函数并不收敛至零，而是一个散射解。这意味着我们应探测到游离的夸克，但实际并不如此。那这些散射解是怎么产生的呢？原来禁闭势在无穷远处十分巨大，以致扰动真空导致正反夸克产生。实际没有测到这些产生的夸克，一个原因可能是大距离时夸克的质量也会变得十分巨大，远远超过了线性势，抑制了真空扰动产生正反夸克的能力。夸克质量会随距离增大而增大，可能可以用真空色电极化（导致真空带上颜色）来解释。真空色电极化使得色荷象滚雪球一样越来越大，夸克能量和质量也相应越来越大，浸在真空中的单一夸克质量巨大，真空没有足够的能量产生这些夸克，也许这最终导致了夸克幽禁。

对于强子结构，现在对不同的能态用不同的理论模型来描述。

基态质子和中子，可以用量子力学的薛定谔方程求解，强子质量主要由夸克承担；对于处于激发态的共振粒子，弦模型比较成功，该模型认为重子和介子的质量和自旋主要由弦（色力线管）提供；对于更高能的强子激发态，由于真空色电极化十分强大，因而强子质量主要就是色电极化质量，夸克的质量和弦的质量十分微小。现在对处于不同能态的质子、中子结构还无法用一个统一的理论来描述。

上面讨论的是质子中子及其共振态的静态性质，下面谈一下它们的衰变问题。原子核内的质子中子是稳定的，但自由的中子是不稳定的，寿命约为11分钟。中子的质量比质子略大一些，因而可以有足够的能量衰变为质子，并放出一个电子和一个电子型反中微子。在夸克水平上解释这一过程，实际上就是：中子内的一个下夸克（带-1/3e电荷）放出一个传递弱相互作用的中间玻色子W- ，自身变成上夸克（带+2/3e电荷），W-又衰变为一个电子和一个电子型反中微子。由于质子中子的重子数都为+1，轻子数为0，电子和电子型中微子的重子数为0，轻子数分别为+1和-1，所以这一过程重子数、轻子数都守恒。现在的粒子物理标准模型（量子电动力学、弱电统一理论[12]、量子色动力学）认为重子数是守恒的，质子已是最轻的重子，所以它不能再衰变为其他重子，它是永恒的。由于人们面遇的物质世界主要就是由重子组成的，所以很容易相信质子是永恒的。但是有一种理论却预言这种观念是不对的，质子会衰变成正电子和中性π介子，重子数和轻子数并不绝对守恒。这种理论是大统一理论，它企图把强、弱、电相互作用统一起来，用一个耦合常数来描写。大统一理论包含着标准模型，但比标准模型来得更大，因而有更多的传递相互作用的规范玻色子。虽然这些规范玻色子是一种超弱场的量子，但质子中的下夸克却会释放这种规范玻色子，自身变成正电子，而质子内的一个上夸克吸收这个规范玻色子，变成上夸克的反粒子（反上夸克），这个反上夸克与质子内的另一个上夸克结合成中性π介子。由于引起这种夸克—轻子转化的场十分弱，所以质子虽然要衰变，但衰变寿命是很长的，大约为一千万亿亿亿年，而我们的宇宙寿命也只有几百亿年，所以质子平均寿命比宇宙寿命长十万亿亿倍。在你一生当中，你体内的质子只能衰变零点几个，不必担心质子衰变会给我们的生活带来什么不便。质子衰变还只是一个理论预言，实验的证明还没有完全结束。

前面提到，质子中的点粒子是夸克，实际上它们还包括胶子和不断产生、湮灭的海夸克。过去认为质子自旋为1/2，是由三个夸克提供的，而如今的研究却不能支持这一观点，质子中的三个夸克的总角动量只占质子自旋的15%，而大部分自旋也许由胶子和海夸克承担。这被称为“质子自旋危机”，是个热门课题。

http://www.mengyungs.n***.net/3zrkx/weig/kkll.htm

所谓基本粒子就是构成物质的最基本的单元。根据作用力的不同，粒子分为强子、轻子和传播子三太类。

强子就是是所有参与强力作用的粒子的总称。它们由夸克组成，已发现的夸克有五种，它们是：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克和底夸克。理论预言还有第六种夸克存在，已命名为顶夸克，但目前尚未发现。现有粒子中绝大部分是强子，质子、中子、π介子等都属于强子。

轻子就是只参与弱力、电磁力和引力作用，而不参与强相互作用的粒子的总称。轻子共有六种，包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。电子、μ子和τ子是带电的，所有的中微子都不带电；τ子是1975年发现的重要粒子，不参与强作用，属于轻子，但是它的质量很重，是电子的3600倍，质子的1.8倍，因此又叫重轻子。

传播子也属于基本粒子。传递强作用的胶子共有8种，1979年在三喷注现象中被间接发现，它们可以组成胶子球，但至今尚未被直接观测到。传递弱作用的W+，W-和Z0。中间玻色子是1983年发现的，非常重，是质子的80一90倍。

基本粒子要比原子、分子小得多，现有最高倍的电子显微镜也不能观察到。质子、中子的大小，只有原子的十万分之一。而轻子和夸克的尺寸更小，还不到质子、中子的万分之一。

粒子的质量是粒子的另外一个主要特征量。按照粒子物理的 规范理论，所有规范粒子的质量为零，而规范不变性以某种方式 被破坏了，使夸克、带电轻子、中间玻色子获得质量。现有的粒子质量范围很大，从0到90吉电子伏。光子、胶子是无质量的，电子质量很小，只有0.5兆电子伏，π介子质量为电子质量的280倍；质子、中子都很重，接近电子质量的2000倍，约为1吉电子伏，已知最重的粒子是Z0，其质量为90吉电子伏。己发现的五种夸克，从下夸克到底夸克，质量从轻到重。下夸克质量只有0.3吉电子伏，而底夸克重达5吉电子伏，顶夸克还没有发现，理论预言它的质量可能超过100吉电子伏。中微子的质量非常小，目前己测得的电子中微子的质量小于7电子伏，即为电子质量的七万分之一，已非常接近零。

粒子的寿命是粒子的第三个主要特征量。电子、质子、中微子是稳定的，称为 "长寿命"粒子；而其他绝大多数的粒子是不稳定的，即可以衰变。一个自由的中子会衰变成一个质子、一个电子和一个中微子； 一个π介子衰变成一个μ子和一个中微子。粒子的寿命以强度衰减到一半的时间来定义。质子是最稳定的粒子，实验已测得的质子寿命大于10的33次方年。

粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子。1932年科学家发现了一个与电子质量相同但带一个正电荷的粒子，称为正电子；后来又发现了一个带负电、质量与质子完全相同的粒子，称为反质子；随后各种反夸克和反轻子也相继被发现。一对正、反粒子相碰可以湮灭，变成携带能量的光子，即粒子质量转变为能量；反之，两个高能粒子碰撞时有可能产生一对新的正、反粒子，即能量也可以转变成具有质量的粒子。

粒子还有另一种属性—自旋。自旋为半整数的粒子称为费米子，为整数的称为玻色子。

物质是不断运动和变化的，在变化中也有些东西不变，即守恒。粒子的产生和衰变过程就要遵循能量守恒定律。此外还有其他的守恒定律，例如轻子数和夸克数守恒，这是基于实验上观察不到单个轻子和夸克的产生和湮灭，必须是粒子、反粒子成对地产生和湮灭而总结出来的。

微观世界的粒子具有双重属性粒子性和波动性。描述粒子的粒子性和波动性的双重属性，以及粒子的产生和消灭过程的基本理论是量子场论。量子场论和规范理论十分成功地描述了粒子及其相互作用。

夸克理论认为，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(uud)，中子(udd)。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。

夸克按其特性分为三代，如下表所示：

符号 中文名称 英文名称 电荷(e) 质量(GeV/c^2)
u 上夸克 up +2/3 0.004
d 下夸克 down -1/3 0.008
c 粲(魅)夸克 charm +2/3 1.5
s 奇夸克 strange -1/3 0.15
t 顶夸克 top +2/3 176
b 底夸克 bottom -1/3 4.7

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粲夸克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。
回答者：yyfreeliang - 魔神 十六级 2-24 13:30

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组成质子、中子的基本粒子
回答者：some_thing - 经理 五级 2-24 13:30

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20世纪60年代，美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克(quark)组成的，很多中国物理学家称其为“层子”。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。“夸克”一词是由默里·盖尔曼改编自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根彻夜祭》(Finnegan"s Wake)中的诗句。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)和奇异夸克(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，反重子则是由三个相应的反夸克组成的。比如质子(uud)，中子(udd)。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。

夸克按其特性分为三代，如下表所示：

符号 中文名称 英文名称 电荷(e) 质量(GeV/c^2)
u 上夸克 up +2/3 0.004
d 下夸克 down -1/3 0.008
c 粲(魅)夸克 charm +2/3 1.5
s 奇夸克 strange -1/3 0.15
t 顶夸克 top +2/3 176
b 底夸克 bottom -1/3 4.7

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粲夸克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。
回答者：liujun427 - 魔法师 五级 2-24 13:33

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答：

夸克理论：

1964年盖尔曼提出了夸克模型，认为介子是由夸克和反夸克所组成，重子是由三个夸克组成。他因此获1969年物理奖。

原子是由原子核和电子构成的，原子核是由质子和中子构成的，质子和中子是由什么构成的呢？这的确是轮中之轮！ “夸克”一词原指一种德国奶酪或海鸥的叫声。盖尔曼当初提出这个模型时，并不企求能被物理学家承认，因而它就用了这个幽默的词。强子是由夸克构成的。古希腊人认为，一切物质都是由为数不多的基本粒子（即他们所谓的“原子”）构成的。这一伟大的原理已被事实证明不那么好理解。基本粒子是否就是夸克？难道夸克也是复合体吗？我们一会儿再来讨论这个问题。

一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成
一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成

夸克也是一种费米子，即有自旋1/2 。

因为质子中子的自旋为1/2，那么三个夸克，如果两个自旋向上，一个自旋向下，就可以组成自旋为1/2的质子、中子。两个正反夸克可以组成自旋为整数的粒子，它们称为介子，如π介子、 J/ψ子，后者由丁肇中等人于1974年发现，它实际上是由粲夸克和反粲夸克组成的夸克对。凡是由三个夸克组成的粒子称为重子，重子和介子统称强子，因为它们都参与强相互作用，故有此名。原子核中质子间的电斥力十分强，可是原子核照样能够稳定存在，就是由于强相互作用力（核力）将核子们束缚住的。由夸克模型，夸克是带分数电荷的，每个夸克带+2/3e或-1/3e电荷（e为质子电荷单位）。现代粒子物理学认为，夸克共有6种（味道），分别称为上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、顶夸克、底夸克，它们组成了所有的强子，如一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成，一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成，则上夸克带+2/3e电荷，下夸克带-1/3e电荷。上、下夸克的质量略微不同。中子的质量比质子的质量略大一点点，过去认为可能是由于中子、质子的带电量不同造成的，现在看来，这应归于下夸克质量比上夸克质量略大一点点。

夸克也有量子能级。能够通过吸收能量而受激进入较高的级位。受激的强子看上去与其他的强子一样，于是，很多先前被认为是独立的粒子现在被看作是单个夸克结合的受激状态。

夸克理论的基本预设是，夸克本身是真正浑然一体的基本粒子，是一种象点一样的物体，没有内部成分。在这方面，夸克颇象轻子，因为轻子不是由夸克组成的，它们本身似乎就是基本粒子。事实上，夸克和轻子之间有着自然的对应，使人们获得意想不到的机会得以洞见大自然的运作。 夸克和轻子之间的系统联系见下面的表1。表右边一栏是夸克的味道，左边是已知的所有轻子。要记住，轻子感受到的是弱力，而夸克感受到的是强力。轻子和夸克之间还有一个区别是，轻子或是不带电，或是只带1个单位的电荷；而夸克则带3分之1或3分之2单位的电荷。

尽管轻子与夸克有着如许的差别，但二者之间存在着深刻的数学对称，使轻子和夸克在上面的图表中有了逐层面的对应。第一个层面只有四种粒子：上、下夸克、电子及电中微子。奇怪的是，一切普通的物质竟全是这四种粒子构成的。质子和中子是由3个3个的夸克组成的，而电子只是充任构成物质的一种亚原子粒子。中微子只是跑进宇宙里，一点也不参与物质的大体构造。就我们所知，假如其他的粒子都突然消失了，只要有这四种粒子，宇宙就不会有多大变化。

亚原子粒子可分为两大类：轻子和夸克。夸克没有被发现单独存在，而是两个或三个地在一起。夸克的电荷是分数的。一切普通的物质都是由Ⅰ层面的粒子构成的。Ⅱ层面和Ⅲ层面似乎是Ⅰ层面的简单复制，其中的粒子是高度不稳定的。可能尚有未发现的层面。

下面一个层面的粒子似乎就是第一个层面的复制，只不过较重而已。第二个层面的粒子都极不稳定（中微子例外），它们所构成的各种粒子很快就衰变为层面Ⅰ的粒子。第三个层面的粒子也是这样。

于是就必然产生这样的问题：层面Ⅰ之外的其他粒子有什么用处呢？为什么大自然需要它们？在形成宇宙的过程中，它们扮演了什么角色？它们是多余的赘物？或者，它们是某种神秘的、现在尚未完全明了的过程的一部分？更为令人不解的问题是，随着将来能量越来越高的粒子加速器的出现，是否也只有这三个层面的粒子？是否会发现更多的或无穷多的层面？

虽然夸克模型当时取得了许多成功，但也遇到了一些麻烦，如重子的夸克结构理论认为，象Ω-和Δ++这样的重子可以由三个相同夸克组成，且都处于基态，自旋方向相同，这种在同一能级上存在有三个全同粒子的现象是违反泡利不相容原理的。泡利不相容原理说的是两个费米子是不能处于相同的状态中的。夸克的自旋为半整数，是费米子，当然是不能违反泡利原理的。但物理学家自有办法，你不是说三个夸克全同吗？那我给它们来个编号或着上“颜色”（红、黄、蓝），那三个夸克不就不全同了，从而不再违反泡利原理了。的确，在1964年，格林伯格引入了夸克的这一种自由度——“颜色”的概念。当然这里的“颜色”并不是视觉感受到的颜色，它是一种新引入的自由度的代名词，与电子带电荷相类似，夸克带颜色荷。这样一来，每味夸克就有三种颜色，夸克的种类一下子由原来的6种扩展到18种，再加上它们的反粒子，那么自然界一共有36种夸克，它们和轻子（如电子、 μ子、τ子及其相应的中微子）、规范粒子（如光子、三个传递控制夸克轻子衰变的弱相互作用的中间玻色子、八个传递强（色）相互作用的胶子）一起组成了大千世界。夸克具有颜色自由度的理论得到了不少实验的支持，在70年代发展成为强相互作用的重要理论——量子色动力学。
“量子色动力学”这一名称听起来有点可怕，念起来有点拗口，应该这样念：量子/色/动力学。这个理论认为，夸克是带有色荷的，胶子场是夸克间发生相互作用的媒介。这不禁让我们想起电子是带有电荷的，传递电子间相互作用的媒介是电磁场（光子场）。的确，关于电荷的动力学我们早已有了，它叫“量子电动力学”，发展于三四十年代。一般读者对电磁相互作用都有点熟悉，因此就以它为例来理解质子中子内的色相互作用。电磁场的麦克斯韦方程的量子化就是量子电动力学，具体地说，量子电动力学就是研究电子和光子的量子碰撞（即散射）的，自然，量子色动力学是研究夸克和胶子的量子碰撞的。

胶子是色场的量子，就象光子是电磁场的量子一样。胶子和光子都是质量为0、自旋为1、传递相互作用的媒介粒子，都属于规范粒子。两个电子发生相互作用是靠传递一个虚光子而发生的（虚光子只在相互作用中间过程产生，其能量和动量不成正比，不能独立存在，在产生后瞬时就湮灭。由相对论知道，自由运动的电子不能发射实光子，但可以发射虚光子。给予我们光明和热能的是实光子，它的能量和动量成正比，脱离源后，能独立存在），自然，两个夸克发生相互作用是靠传递一个虚胶子而发生的。虚胶子携带着一个夸克的部分能量和动量，交给另一个夸克，于是两个夸克就以胶子为纽带发生了相互作用。看到这里，我们会说，不是重复了一下吗？量子色动力学可以由量子电动力学依葫芦画瓢建立起来，真是太容易了！不过实际上没有这么简单。按群论的语言讲，电磁场是U（1）规范场，是一种阿贝尔规范场，群元可以交换，而胶子场是SU(3)规范场，是一种非阿贝尔规范场，群元不可以交换。一般来说，“非”总比“不非”要麻烦得多。电荷只有一种，而色荷却有三种（红、黄、蓝）；U(1)群的生成元只有一个，就是1，所以光子只有一种，而SU(3)群有八个生成元，一个生成元对应一种胶子，所以胶子共有八种；光子不带电荷，而胶子场由于是非阿贝尔规范场，场方程具有非线性项，体现了胶子的自相互作用，因而胶子也带色荷，夸克发射带色的胶子，自身改变颜色。所以胶子场比电磁场复杂，因而出现了许多不同寻常的现象和性质，其中最重要的恐怕要数“渐近自由”和“夸克幽禁”了。

中子和质子之间的强力，当然不可能是基本力，因为中子和质子本身就是复合物而不是基本粒子。当两个质子相互吸引时，我们实际上看到的，就是六种夸克相互作用的合力。夸克之间的力才是基本力。可以用描述电磁场的方式描述夸克之间的力，而夸克的色就相当于电荷。质子的对应物是所谓的“胶子”，其作用就是我们先前说过的象仿使那样，不断地在夸克之间来回跳动，将夸克胶结在一起。物理学家们仿照电动力学，把这种由“颜色”产生出来的力场理论叫作色动力学。色动力作用要比电磁力作用复杂。这有两个原因。第一，夸克有三色，而电荷却只有一种，于是，与一种光子相对应的就是八种不同的胶子。第二，胶子也有颜色，因而彼此也有很强的相互作用，而光子不带电荷，彼此间又是那么不相干。

“渐近自由”说的是两个夸克之间距离很小时，耦合常数也会变得很小，以致夸克可以看成是近自由的。耦合常数变小是由于真空的反色屏蔽效应引起的。真空中的夸克会使真空极化（即它使真空带上颜色），夸克与周围真空的相互作用导致由真空极化产生的虚胶子和正反虚夸克的极化分布，最终效果使夸克色荷变大，这称为色的反屏蔽效应（对于电荷，刚好相反，由于真空极化导致电荷吸引反号电荷的虚粒子，所以总电荷减少，这称为电的屏蔽效应。与它作比较，色的反屏蔽效应这一术语由此而来）。由于这一效应，在离夸克较小距离上看来，大距离的夸克比它带的色荷多，所以小距离上强作用相对而言变弱了，这就是所谓“渐近自由”。渐近自由是量子色动力学的一项重要成果，它使得高能色动力学可以用微扰理论计算。但是在低能情形或者说大距离情形，由于耦合常数变强及存在幽禁力，计算变得困难。

量子色动力学可以预言小距离的“渐近自由”，但是对大距离的“夸克幽禁”，量子色动力学就无法预言了，这是量子色动力学的困难。

“夸克幽禁”说的是夸克无法从质子中逃逸出去。红黄蓝三色夸克组成无色态，强子都是无色的。一旦夸克可以从质子或强子中跑出来，自然界就会存在带色的粒子;带色的粒子引起真空的进一步极化，色荷之间的幽禁势是很大的，整个真空都带上了颜色，能量很高，导致真空爆炸。实际这些都没有发生，暗示自然界不存在游离的夸克，那么我们会问：夸克倒底是一个数学技巧还是一个物理实在？研究这一问题，是对夸克模型的考验。不过，现在因为已有了夸克存在的间接证据，物理学家相信夸克是应该的确存在的。夸克为什么要被幽禁起来，物理学家已提出了几个理论。有人提出口袋模型，如认为质子是一只受真空挤压的口袋，可将夸克束缚住而逃不出来；有人提出了弦理论，认为夸克绑在弦的两端，而这条弦却难以断裂，即使一旦断裂，断裂处生成一对正反夸克，原来的强子碎裂为两个新的强子，从而自由的夸克从来不可能出现；也有人说，既然胶子带色荷，胶子之间也会有色磁吸引力，从而色力线被拉紧呈平行状，就如一个带电电容器两板因为有平行的电力线因而彼此有吸引一样，夸克之间也有类似这种吸引力；格点规范理论的面积定律证明夸

克之间有线性禁闭势存在；90年代中期塞伯和威滕用他们发展的四维空间量子场论证明磁单极凝聚也会导致夸克幽禁。

关于夸克幽禁的理论有许多，正好说明了我们对强力的了解还不够充分。

对介子谱的研究表明，夸克之间除了由于单胶子交换引起的色库仑力外，还有色禁闭力，其势是随距离线性增长的，正如上面所说，虽然不清楚线性禁闭势的来源，但可以认为正是这个势导致了夸克幽禁。但是这一观点也许要受到挑战。因为用相对论性波动方程解介子能谱，发现在无穷远处波函数并不收敛至零，而是一个散射解。这意味着我们应探测到游离的夸克，但实际并不如此。那这些散射解是怎么产生的呢？原来禁闭势在无穷远处十分巨大，以致扰动真空导致正反夸克产生。实际没有测到这些产生的夸克，一个原因可能是大距离时夸克的质量也会变得十分巨大，远远超过了线性势，抑制了真空扰动产生正反夸克的能力。夸克质量会随距离增大而增大，可能可以用真空色电极化（导致真空带上颜色）来解释。真空色电极化使得色荷象滚雪球一样越来越大，夸克能量和质量也相应越来越大，浸在真空中的单一夸克质量巨大，真空没有足够的能量产生这些夸克，也许这最终导致了夸克幽禁。

对于强子结构，现在对不同的能态用不同的理论模型来描述。

基态质子和中子，可以用量子力学的薛定谔方程求解，强子质量主要由夸克承担；对于处于激发态的共振粒子，弦模型比较成功，该模型认为重子和介子的质量和自旋主要由弦（色力线管）提供；对于更高能的强子激发态，由于真空色电极化十分强大，因而强子质量主要就是色电极化质量，夸克的质量和弦的质量十分微小。现在对处于不同能态的质子、中子结构还无法用一个统一的理论来描述。

上面讨论的是质子中子及其共振态的静态性质，下面谈一下它们的衰变问题。原子核内的质子中子是稳定的，但自由的中子是不稳定的，寿命约为11分钟。中子的质量比质子略大一些，因而可以有足够的能量衰变为质子，并放出一个电子和一个电子型反中微子。在夸克水平上解释这一过程，实际上就是：中子内的一个下夸克（带-1/3e电荷）放出一个传递弱相互作用的中间玻色子W- ，自身变成上夸克（带+2/3e电荷），W-又衰变为一个电子和一个电子型反中微子。由于质子中子的重子数都为+1，轻子数为0，电子和电子型中微子的重子数为0，轻子数分别为+1和-1，所以这一过程重子数、轻子数都守恒。现在的粒子物理标准模型（量子电动力学、弱电统一理论[12]、量子色动力学）认为重子数是守恒的，质子已是最轻的重子，所以它不能再衰变为其他重子，它是永恒的。由于人们面遇的物质世界主要就是由重子组成的，所以很容易相信质子是永恒的。但是有一种理论却预言这种观念是不对的，质子会衰变成正电子和中性π介子，重子数和轻子数并不绝对守恒。这种理论是大统一理论，它企图把强、弱、电相互作用统一起来，用一个耦合常数来描写。大统一理论包含着标准模型，但比标准模型来得更大，因而有更多的传递相互作用的规范玻色子。虽然这些规范玻色子是一种超弱场的量子，但质子中的下夸克却会释放这种规范玻色子，自身变成正电子，而质子内的一个上夸克吸收这个规范玻色子，变成上夸克的反粒子（反上夸克），这个反上夸克与质子内的另一个上夸克结合成中性π介子。由于引起这种夸克—轻子转化的场十分弱，所以质子虽然要衰变，但衰变寿命是很长的，大约为一千万亿亿亿年，而我们的宇宙寿命也只有几百亿年，所以质子平均寿命比宇宙寿命长十万亿亿倍。在你一生当中，你体内的质子只能衰变零点几个，不必担心质子衰变会给我们的生活带来什么不便。质子衰变还只是一个理论预言，实验的证明还没有完全结束。

前面提到，质子中的点粒子是夸克，实际上它们还包括胶子和不断产生、湮灭的海夸克。过去认为质子自旋为1/2，是由三个夸克提供的，而如今的研究却不能支持这一观点，质子中的三个夸克的总角动量只占质子自旋的15%，而大部分自旋也许由胶子和海夸克承担。这被称为“质子自旋危机”，是个热门课题。

http://www.mengyungs.n***.net/3zrkx/weig/kkll.htm

所谓基本粒子就是构成物质的最基本的单元。根据作用力的不同，粒子分为强子、轻子和传播子三太类。

强子就是是所有参与强力作用的粒子的总称。它们由夸克组成，已发现的夸克有五种，它们是：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克和底夸克。理论预言还有第六种夸克存在，已命名为顶夸克，但目前尚未发现。现有粒子中绝大部分是强子，质子、中子、π介子等都属于强子。

轻子就是只参与弱力、电磁力和引力作用，而不参与强相互作用的粒子的总称。轻子共有六种，包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。电子、μ子和τ子是带电的，所有的中微子都不带电；τ子是1975年发现的重要粒子，不参与强作用，属于轻子，但是它的质量很重，是电子的3600倍，质子的1.8倍，因此又叫重轻子。

传播子也属于基本粒子。传递强作用的胶子共有8种，1979年在三喷注现象中被间接发现，它们可以组成胶子球，但至今尚未被直接观测到。传递弱作用的W+，W-和Z0。中间玻色子是1983年发现的，非常重，是质子的80一90倍。

基本粒子要比原子、分子小得多，现有最高倍的电子显微镜也不能观察到。质子、中子的大小，只有原子的十万分之一。而轻子和夸克的尺寸更小，还不到质子、中子的万分之一。

粒子的质量是粒子的另外一个主要特征量。按照粒子物理的 规范理论，所有规范粒子的质量为零，而规范不变性以某种方式 被破坏了，使夸克、带电轻子、中间玻色子获得质量。现有的粒子质量范围很大，从0到90吉电子伏。光子、胶子是无质量的，电子质量很小，只有0.5兆电子伏，π介子质量为电子质量的280倍；质子、中子都很重，接近电子质量的2000倍，约为1吉电子伏，已知最重的粒子是Z0，其质量为90吉电子伏。己发现的五种夸克，从下夸克到底夸克，质量从轻到重。下夸克质量只有0.3吉电子伏，而底夸克重达5吉电子伏，顶夸克还没有发现，理论预言它的质量可能超过100吉电子伏。中微子的质量非常小，目前己测得的电子中微子的质量小于7电子伏，即为电子质量的七万分之一，已非常接近零。

粒子的寿命是粒子的第三个主要特征量。电子、质子、中微子是稳定的，称为 "长寿命"粒子；而其他绝大多数的粒子是不稳定的，即可以衰变。一个自由的中子会衰变成一个质子、一个电子和一个中微子； 一个π介子衰变成一个μ子和一个中微子。粒子的寿命以强度衰减到一半的时间来定义。质子是最稳定的粒子，实验已测得的质子寿命大于10的33次方年。

粒子具有对称性，有一个粒子，必存在一个反粒子。1932年科学家发现了一个与电子质量相同但带一个正电荷的粒子，称为正电子；后来又发现了一个带负电、质量与质子完全相同的粒子，称为反质子；随后各种反夸克和反轻子也相继被发现。一对正、反粒子相碰可以湮灭，变成携带能量的光子，即粒子质量转变为能量；反之，两个高能粒子碰撞时有可能产生一对新的正、反粒子，即能量也可以转变成具有质量的粒子。

粒子还有另一种属性—自旋。自旋为半整数