夸克

夸克是粒子物理学标准模型中的一种基本粒子。夸克带有分数电荷，参与强相互作用。夸克共有六种类型，称为六种“味”：上、下、粲、奇、顶和底。夸克与胶子共同构成称为强子的复合粒子，其中包括质子和中子。目前尚未观测到孤立且能自由传播的夸克；夸克可观测的行为受到色禁闭的支配。(opendata.cern.ch)

性质与味

夸克是自旋角动量量子数为 ½ 的费米子。每种味的夸克都有对应的反夸克，两者质量相同，但电荷相反，色荷互为共轭。夸克的重子数为 +⅓，反夸克的重子数则为 −⅓。这些取值解释了由它们组成的粒子的重子数。(pdg.lbl.gov)

六种味分为三代。下表中的电荷以正的元电荷 (e) 为单位表示。(home.web.cern.ch)

上夸克和下夸克构成普通质子与中子的价夸克组分。较高代的夸克更重，存在于不稳定粒子中，或在高能碰撞中产生。这种代际结构与轻子相似；轻子这一粒子家族包括电子和中微子，但轻子不带色荷。标准模型并未解释为什么恰好存在三代，也未解释它们的质量为何相差如此悬殊。(home.web.cern.ch)

色荷与禁闭

描述夸克之间强相互作用的理论是量子色动力学（QCD），其相互作用的传递粒子是胶子。夸克具有色荷，通常用红、绿、蓝来标记；这些名称表示的是量子性质，而非肉眼可见的颜色。可观测的强子都是色中性的组合。(opendata.cern.ch)

在短距离或大动量转移尺度下，量子色动力学的有效耦合变弱。这一性质称为渐近自由，使许多高能过程可以用微扰方法计算。在较大距离下，强相互作用具有非微扰性，不会出现孤立的带色荷粒子。这种行为称为色禁闭。实验和数值计算都支持禁闭现象，但目前仍缺乏普遍适用的严格解析证明。(cds.cern.ch)

增大夸克之间的距离，并不能简单地使它们成为自由粒子。注入色场的能量反而可能产生更多夸克—反夸克对，形成新的色中性强子。因此，在实验中，高能夸克通常表现为一组强子，而不是探测器中的单条粒子径迹。夸克和胶子转变为强子的过程称为强子化。(cds.cern.ch)

顶夸克是一个例外：它在强子化发生之前就已衰变。它的性质是通过衰变产物重建的，而不是通过含顶夸克的强子来确定的。这并不意味着顶夸克是可观测的、稳定的孤立粒子。(atlas-public.web.cern.ch)

强子与普通物质

在最简单的夸克分类中，重子含有三个价夸克，而介子含有一个价夸克和一个价反夸克。质子的价夸克组成为 (uud)，因此电荷为 (+e)；中子的价夸克组成为 (udd)，因此电荷为零。还存在更复杂的组合，包括具有四夸克和五夸克价组分的态。(pdg.lbl.gov)

价夸克标记指定的是净味组分，并非强子内部所有成分的完整清单。质子还含有胶子，以及由夸克—反夸克对组成的量子力学“海”。因此，不能把质子的内部结构完整地描述为三个由静态连接束缚在一起的小物体。(cds.cern.ch)

质子和中子的大部分质量来自量子色动力学的动力学效应，而不只是其轻价夸克的质量。与夸克场和胶子场相关的能量通过质能等价关系对总质量作出贡献。因此，要理解普通物质，既需要了解其基本组成成分，也需要了解将这些成分组织成复合粒子的相互作用。(alice-collaboration.web.cern.ch)

历史发展与证据

1964 年，默里·盖尔曼和乔治·茨威格分别独立提出了夸克组分模型，以解释当时不断增多的已知强子之间呈现的规律。盖尔曼引入了“夸克”（quark）这个名称，其拼写取自詹姆斯·乔伊斯的《芬尼根守灵夜》；茨威格则将他提出的组分称为“王牌”（aces）。最初的方案包含带有分数电荷的上、下、奇三种组分。起初，人们尚不确定这些实体究竟是真实的物理粒子，还是主要用于数学分类的工具。(cds.cern.ch)

1968 年取得了一项重要的实验进展：SLAC 的电子散射实验揭示了核子内部的点状组分。这些深度非弹性散射结果与后续测量共同确立了支持夸克图景的证据，否定了质子没有内部结构的观点。这一解释是在多项相互补充的理论与实验进展中逐步形成的，而非源于某一次对自由夸克的观测。(slac.stanford.edu)

1974 年，SLAC 和布鲁克海文国家实验室的研究团队分别独立发现了 J/ψ 粒子，为粲夸克的存在提供了证据。1977 年，费米实验室发现了底夸克。1995 年 3 月 2 日，费米实验室的 CDF 和 DØ 合作组宣布发现顶夸克，至此六种味的夸克均得到实验确认。(fnal.gov)

实验研究

夸克研究既考察各味夸克的性质，也研究强子的整体结构。散射测量探究夸克和胶子如何分担质子的动量与自旋；强子谱学则研究它们的相互作用所产生的粒子。这些方法将高能尺度下的组分描述与实验中观测到的复合态联系起来。(home.cern)