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  • 1 # 靈遁者國學智慧

    夸克(英語:quark)是一種基本粒子,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夸克。因為這個原因,人類對夸克的所知大都是來自對強子的觀測。

    所有的中子都是由三個夸克組成的,反中子則是由三個相應的反夸克組成的,比如質子,中子。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。

    夸克有六種“味”,分別是上、下、粲、奇、底及頂。上及下夸克的質量是所有夸克中最低的。較重的夸克會透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態變成低質量態的過程。就是因為這個原因,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)。

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    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的基本粒子,基本相互作用有時會被稱為“基本力”(電磁、重力、強相互作用及弱相互作用)。

    夸克同時是現時已知唯一一種基本電荷非整數的粒子。透過上面的圖,就可以看出這點。

    夸克每一種味都有一種對應的反粒子,叫反夸克,在對應的夸克符號上加一橫作為標記,例如u代表反上夸克。跟一般反物質一樣,反夸克跟對應的夸克有著相同的質量、平均壽命及自旋,但兩者的電荷及其他荷的正負則相反。

    夸克模型分別由默裡·蓋爾曼與喬治·茨威格於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,而當時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(英語:Deep inelastic scattering)實驗為止。

    夸克的六種味已經全部被加速器實驗所觀測到;而於1995年在費米實驗室被觀測到的頂夸克,是最後發現的一種。

    夸克的自旋為1⁄2,因此根據自旋統計定理,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。這點跟玻色子相反(擁有整數自旋的粒子),在相同的量子態上,相同的玻色子沒有數量限制。

    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係,而形成的複合粒子,叫做“強子”。

    在強子中決定量子數的夸克叫“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。最常見的重子是質子和中子,它們是構成原子核的基礎材料。我們已經知道有很多不同的強子。它們的不同點在於其所含的夸克,及這些內含物所賦予的性質。

    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支援不會有超過三代。代數較高的粒子,一般會有較大的質量及較低的穩定性,於是它們會透過弱相互作用,衰變成代數較低的粒子。在自然中,只有第一代夸克(上及下)是常見的。較重的夸克只能透過高能碰撞來生成(例如宇宙射線),而且它們很快就會衰變;然而,科學家們相信大爆炸後,第一秒的最早部分會存有重夸克,那時宇宙處於溫度及密度極高的狀態(夸克時期)。重夸克的實驗研究都在人工的環境下進行,例如粒子加速器。

    在夸克理論的初期,當時的“粒子動物園(英語:Particle zoo)”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都歸因於這些味。

    初時物理學界對於這份提案的意見不一。當時學界對於夸克的本質有所爭論,一方認為夸克是物理實體,另一方則認為,它只是用來解釋當時未明物理的抽象概念而已。

    在一年之內,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(英語:James Bjorken)(James Bjorken)預測有第四種夸克存在,他們把它叫做“粲”。

    加上第四種夸克的原因有三:

    一、能更好地描述弱相互作用(導致夸克衰變的機制);

    二、夸克的數量會變得與當時已知的輕子數量一樣;

    三、三、能產生一條質量方程,可以計算出已知介子的質量。

    後來斯坦福線性加速器中心(SLAC)深度非彈性散射實驗在1968年指出,質子含有比自己小得多的點狀物,因此質子並非基本粒子。物理學家當時並不願意把這些物體視為夸克,反而叫它們做“成子——一個由理查德·費曼所創造的新詞。

    隨著更多味的發現,在SLAC所觀測到的粒子後來被鑑定為上及下夸克。不過,“成子”一詞到現在還在使用,是重子構成物(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分,而且還解釋到1947年從宇宙射線中發現的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)一起對當時尚未發現的粲夸克,提出更多它存在的理據。

    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,於是夸克應有的味被提升到現時的六種。

    粲夸克在1974年被兩個研究小組幾乎同時發現(見十一月革命)——一組在SLAC,由伯頓·里克特領導;而另一組則在布魯克黑文國家實驗室,由丁肇中領導。觀測到的粲夸克在介子裡面,與一個反粲夸克束縛(Bound state)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。這個發現終於使物理學界相信夸克模型是正確的。

    底夸克在1977年被利昂·萊德曼領導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,終於被費米實驗室的CDF(英語:Collider Detector at Fermilab)及DØ(英語:D0 experiment)小組觀測到。它的質量比之前預料的要大得多——幾乎跟金原子一樣重。

    摘自獨立學者靈遁者物理科普書籍《見微知著》

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