[科普中國]-反夸克

反夸克，即正夸克的反粒子，它與正夸克電荷符號相反（絕對值相同），自旋相反（夸克1/2自旋）。必須味色同時相反，才互稱反夸克。共有18種正夸克（其中常見的正夸克有6種），對應的反夸克有18種（其中常見的反夸克有6種）。每種正夸克有紅、綠、藍三色， 反夸克就是指自旋相反為-1/2（也可能是超對稱性相反-1），電荷相反，色味相反的夸克（反夸克三色為“反紅”，“反綠”與“反藍”）。常見的反夸克包括反上夸克、反下夸克、反粲夸克、反奇夸克、反頂夸克與反底夸克六種。

簡介夸克（英語：quark）是一種基本粒子，也是構成物質(zhì)的基本單元?？淇嘶ハ嘟Y合，形成一種復合粒子，叫強子，強子中最穩(wěn)定的是質(zhì)子和中子，它們是構成原子核的單元。由于一種叫“夸克禁閉”的現(xiàn)象，夸克不能夠直接被觀測到，或是被分離出來；只能夠在強子里面找到夸克。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。

夸克有六種“味”，分別是上、下、粲、奇、底及頂。上及下夸克的質(zhì)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(zhì)量態(tài)變成低質(zhì)量態(tài)的過程。就是因為這個原因，上及下夸克一般來說很穩(wěn)定，所以它們在宇宙中很常見，而奇、粲、頂及底則只能經(jīng)由高能粒子的碰撞產(chǎn)生（例如宇宙射線及粒子加速器）。

夸克有著多種不同的內(nèi)在特性，包括電荷、色荷、自旋及質(zhì)量等。在標準模型中，夸克是唯一一種能經(jīng)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”（電磁相互作用力、萬有引力、強相互作用力及弱相互作用力）?？淇送瑫r是現(xiàn)時已知唯一一種基本電荷非整數(shù)的粒子。夸克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，只在于它的一些特性跟夸克大小一樣但正負不同。

夸克模型分別由默里·蓋爾曼與喬治·茨威格于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，而當時并沒有什么能證實夸克存在的物理證據(jù)，直到1968年SLAC開發(fā)出深度非彈性散射實驗為止?？淇说牧N味已經(jīng)全部被加速器實驗所觀測到；而于1995年在費米實驗室被觀測到的頂夸克，是最后發(fā)現(xiàn)的一種。

分類標準模型是描述所有已知基本粒子的理論框架。此模型包含六種味的夸克（q）：上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及頂（t）。夸克的反粒子叫反夸克，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(zhì)一樣，反夸克跟對應的夸克有著相同的質(zhì)量、平均壽命及自旋，但兩者的電荷及其他荷的正負則相反。

夸克的自旋為?2，因此根據(jù)自旋統(tǒng)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(tài)。這點跟玻色子相反（擁有整數(shù)自旋的粒子），在相同的量子態(tài)上，相同的玻色子沒有數(shù)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系，而形成的復合粒子，叫做“強子”（見下文強相互作用與色荷部分）。

在強子中決定量子數(shù)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“?！保┛淇?、反夸克，及不影響其量子數(shù)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(zhì)子和中子，它們是構成原子核的基礎材料。我們已經(jīng)知道有很多不同的強子（見重子列表及介子列表），它們的不同點在于其所含的夸克，及這些內(nèi)含物所賦予的性質(zhì)。而含有更多價夸克的“奇異”強子，如四夸克粒子（qqqq）及五夸克粒子（qqqqq），目前仍在理論階段，它們的存在仍未被證實。

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(jù)支持不會有超過三代。代數(shù)較高的粒子，一般會有較大的質(zhì)量及較低的穩(wěn)定性，于是它們會通過弱相互作用，衰變成代數(shù)較低的粒子。在自然中，只有第一代夸克（上及下）是常見的。較重的夸克只能通過高能碰撞來生成（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后，第一秒的最早部分會存有重夸克，那時宇宙處于溫度及密度極高的狀態(tài)（夸克時期）。重夸克的實驗研究都在人工的環(huán)境下進行，例如粒子加速器。

同時擁有電荷、質(zhì)量、色荷及味，夸克是唯一一種能經(jīng)受現(xiàn)代物理全部四種相互作用的已知粒子，這四種作用為：電磁、重力、強相互作用及弱相互作用。對于個別粒子的相互作用而言，除非是在極端的能量（普朗克能量）及距離尺度（普朗克距離）下，重力實在是小得微不足道。然而，由于現(xiàn)時仍沒有成功的量子引力理論，所以標準模型并不描述重力。

歷史夸克模型于1964年由物理學家默里·蓋爾曼和喬治·茨威格（George Zweig）獨立提出。在這個提案前不久的1961年，蓋爾曼提出了一種粒子分類系統(tǒng)，叫“八重道”——或技術上應叫特殊幺正群味對稱。以色列物理學家尤瓦勒·內(nèi)埃曼（Yuval Ne'eman），在同年亦獨立地開發(fā)出一套跟八重道相近的理論。

在夸克理論的初期，當時的“粒子園”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(zhì)都歸因于這些味。初時物理學界對于這份提案的意見不一。當時學界對于夸克的本質(zhì)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(nèi)，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（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(shù)量會變得與當時已知的輕子數(shù)量一樣；三、能產(chǎn)生一條質(zhì)量方程，可以計算出已知介子的質(zhì)量。

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(zhì)子含有比自己小得多的點狀物，因此質(zhì)子并非基本粒子。物理學家當時并不愿意把這些物體視為夸克，反而叫它們做“成子”（parton）——一個由理查德·費曼所創(chuàng)造的新詞隨著更多味的發(fā)現(xiàn)，在SLAC所觀測到的粒子后來被鑒定為上及下夸克。不過，“成子”一詞到現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)的粲夸克，提出更多它存在的理據(jù)。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，于是夸克應有的味被提升到現(xiàn)時的六種。

粲夸克在1974年被兩個研究小組幾乎同時發(fā)現(xiàn)（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里面，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(fā)現(xiàn)終于使物理學界相信夸克模型是正確的。

在之后的幾年，有一些把夸克數(shù)量增至六個的提案。其中，以色列物理學家哈伊姆·哈拉里（Haim Harari）在1975年的論文中，最早把加上的夸克命名為“頂”及“底”。

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，終于被費米實驗室的CDF及D?小組觀測到。它的質(zhì)量比之前預料的要大得多——幾乎跟金原子一樣重。1

另見物理主題

夸克星

奇異夸克團

毛粒子

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

杜強 - 高級工程師 - 中國科學院工程熱物理研究所