質子和中子是構成原子核的粒子，這些粒子非常小。但這些亞原子粒子本身是由一些更小的粒子組成的，這些粒子叫做夸克。

圖：夸克是所有物質的基本成分，但似乎沒有任何結構，似乎不可分割。

“好吧，我認為最簡單的表述方式是夸克是物質的基本組成部分，是我們周圍所有物質的基本組成部分，”傑弗裡韋斯特解釋說，他是一位理論物理學家，是洛斯阿拉莫斯國家實驗室高能物理小組創始人，現在是聖達菲研究所的沙南傑出教授。（他還是2017年暢銷書《尺度》（scale）的作者。）

正如墨爾本大學粒子物理學家Takaski Kubota在談話中解釋的那樣，夸克和電子和其他輕子一樣，似乎沒有任何結構，似乎不可分割。

夸克是如此之小，以至於要描述它們的大小都很困難。倫敦大學物理學院教授喬恩·巴特沃斯解釋說，質子大約是夸克半徑的2000倍，而質子的半徑又是沙粒的2.4萬億分之一。

1964首次提出夸克的存在性

在1964年，加州理工大學理論物理學家墨裡·蓋爾曼首次提出有夸克存在，他是發展粒子物理標準模型的關鍵人物之一。1969年諾貝爾物理學獎獲得者蓋爾曼發現，解釋質子和中子的性質要求它們由更小的粒子組成。與此同時，加州理工學院的另一位物理學家喬治·茲韋格也獨立提出了這個想法。

在1967年～1973年期間，科學家在斯坦福線性加速器中心通過實驗證實了夸克的存在。

正如韋斯特所解釋的，夸克的一個奇怪之處是，它們可以被觀察到，但不能被孤立存在。”“它們像是電子，但有一個微妙的區別，”他說，“電子是基本粒子，我們可以觀察並隔離電子。對於夸克，你不能把單個夸克從原子核中取出來，放在桌子上進行檢查。單獨的夸克是無法被直接或間接地觀察到。”

相反，通過使用巨大的粒子加速器，科學家們通過加速電子的速度，並利用它們來探測原子核內部結構。如果它們深入到原子核足夠深的內部，電子就會把夸克轟擊出來，用非常精密的探測器可以探測到夸克克。“我們重現靶中的質子和中子是由什麼組成的。”韋斯特說：“看到這些小點物質，我們稱之為夸克。”

​夸克有六種型別

夸克與它們組成的質子相比具有分數電荷。按照品質分類，夸克可分為六種型別，夸克粒子也有一種叫做顏色的性質，這是一種描述強作用力如何將它們結合在一起的方式。顏色是由膠子攜帶的，膠子是將夸克結合在一起的強大力量的信使。（它們類似於光子。）

堪薩斯大學的一個物理學家小組使用一個安裝在大型強子對撞機上的裝置，來研究夸克和膠子之間的強相互作用，大型強子對撞機是一個位於法國和瑞士之間27公里隧道中的巨大粒子加速器。

"我們的想法是更好地了解質子和重的子結構——例如鉛——並研究一種叫做飽和的新現象，"負責這項研究的堪薩斯大學物理學教授克里斯托弗·羅伊翁（Christophe Royon）在一份電子郵件解釋說，"當兩個質子或兩個離子以非常高的能量碰撞時，我們對它們的亞結構（夸克和膠子）非常敏感，我們可以探測膠子密度非常大的某些區域。“

“打個比方來描述膠子的行為，如在高峰時段完全擁堵的紐約地鐵，”羅伊翁繼續說，“在這種情況下，膠子的行為不是孤立行為，而是表現出集體的行為，就像擁擠的地鐵一樣，如果有人摔倒，每個人都會感覺到，因為人們彼此如此靠近。在某種程度上，質子或重子可以表現得像一個固體物體，叫做彩色玻璃冷凝物。這是我們希望在大型強子對撞機和未來美國的電子-離子對撞機上看到的。”

羅伊翁說，找到這種稠密的膠質物質存在的證據，將回答關於夸克的最大未解答的問題之一。"這是一種新的物質狀態，"他說，“在相對論重子對撞機或大型強子對撞機上已經出現了一些暗示，但目前還沒有確定的跡象。一旦得到確認，這將是一個重要的發現，大型強子對撞機和電子-離子對撞機都是看到這一點的理想機器。”

科學家們還想知道是否有比夸克更小的東西。”這就引出了一個問題，還有別的層次嗎？”韋斯特說，“我們不知道答案。”