1、夸克提出的背景

二十世纪前六十年，粒子物理学发展突飞猛进，人们发现了越来越多的亚原子粒子。最初人们意识到电子、光子、原子核的存在，后来发现质子和中子（1932年发现）是构成原子核的成分。

为了解释为什么带正电的质子以及不带电的中子都够形成稳定的原子核，质子之间的电磁排斥力为什么不会让原子核分崩离析，日本物理学家汤川秀树提出了介子的概念，这个粒子后来在宇宙射线中被发现（1947年），即 π\pi 介子（一共有三种，分别是带正电、带负电以及不带电）

质子、中子、π\pi 介子都属于强子，它们参与强相互作用。最初，物理学家认为强子可能就这么几种，但是1946年，事情出现重大转机，一个全新的世界开始逐渐显现。

1946年，两位英国科学家罗彻斯特和巴特勒在云室中发现了两个"V"型的径迹，这看起来是一种全新的粒子，不同于质子、中子、π\pi 介子。这就是后来被称为奇异粒子的一系列新粒子发现的开始[1][2]。

通过分析，人们发现这两个末态粒子一个是质子，另一个是 π−\pi^- ，根据能量守恒，衰变的粒子质量显然比质子的质量大。但当时所知的粒子只有质子、中子、电子、光子以及π\pi介子，质量分别为938MeV、939MeV、0.5MeV、0、140MeV，因此这在当时是一个全新的未知粒子，后来称为Λ0粒子；后来人们又发现了一类“V”型事件，其末态粒子为π+\pi^+、π−\pi^-，这个粒子质量大约为电子的1000倍，后来称之为 K0K^0 粒子。

后来，人们在宇宙射线中又陆续发现了多种奇异粒子；后来粒子加速器的出现大大方便了对粒子的研究，1953年，美国布鲁克海文国家实验室的“宇宙线级加速器”（Cosmotron）获得了奇异粒子的确凿证据。

为什么这类"V"型事件对应的粒子“奇异”呢？因为这类粒子总是成对产生，而且根据实验现象推断它们是通过强相互作用产生的，那这也意味着这类粒子同时会在极短的时间内就衰变掉，但是实验中却发现它们并没有迅速衰变，而是移动了一段时间后才衰变到两个粒子（也就是图中的V型线）。

为了解释这个“奇异”的现象，科学家提出了“奇异数”（strangeness）的概念，就类似于“电荷”，奇异粒子带非零的奇异荷（ S=±1S=\pm 1 ），而关键的是，在强相互作用与电磁相互作用中，反应前后的奇异数必须守恒，而在弱相互作用中则可以不守恒。

这样，V型事件就可以被解释了：奇异粒子在强相互作用中产生，因为奇异数守恒，所以必须产生至少两个奇异粒子，带的奇异荷分别是1和-1；这些奇异粒子要想衰变到质量更小的粒子，只能衰变到非奇异粒子，否则就无法满足能量守恒，因此只能通过弱相互作用衰变。而弱相互作用的强度比较弱，对应的反应过程也就比较慢，因此奇异粒子的寿命也就比较长了。

在加速器出现后，人们发现了越来越多的强子，质子、中子、 ρ\rho 、 ω\omega 、 Λ\Lambda 、 Ξ\Xi 等等，而且数量还在不断增加中。这些强子可以分为两类：重子（费米子）和介子（玻色子）。这么多的强子，认为它们都是基本粒子，显然不太合适。

另外，中子是不带电的，那么自然会认为中子不存在磁矩，然而1940年的实验测量发现中子具有非零的磁矩[3]，这其实就暗示了中子具有内部结构，其内部组分是具有电荷的，只不过总电荷为零。

如果一个基本粒子具有电荷，那么就可以产生电场，影响其它带电粒子。如果这个基本粒子还具有自旋，那么就会产生一个磁矩（可以认为是产生的磁效应），就好像一个线圈产生的磁矩类似。

总而言之，在二十世纪六十年代初的时候，人们已经发现了超过200种强子，这些强子的质量、寿命差别极大。大量强子的发现自然地让人们联想到了化学中的门捷列夫周期表，这么多的强子很难说都是基本粒子，它们应该更可能是由少数几种更基本的粒子构成的。粒子物理学家迫切需要一个简单、统一的原则来描述这些粒子。

2、夸克模型

当然，夸克模型并不是一开始就被提出，在此之前，人们做了一些不太成功的尝试[4]：

1949年，费米和杨振宁提出了费米-杨模型，认为质子和中子是基本粒子，π\pi 介子是由质子、中子以及它们的反粒子构成的，比如 π+=pn¯\pi^{+}=p\bar{n} （注：符号上面加个横线表示其反粒子），但是费米-杨模型无法解释奇异粒子；

1956年，阪田昌一提出了坂田模型，认为质子、中子以及 Λ\Lambda 才是基本粒子，不过这个模型很难解释重子。

后来还有其它的一些不成功的尝试，但是这些尝试为后来的夸克模型奠定了基础。

1964年，M.Gell-Mann和G.Zweig分别独立地提出了夸克模型（Quark Model）。“夸克”是由Gell-Mann提出的称呼，而Zweig则称之为“Aces”。他们认为，强子是由三种更基本的费米子，即夸克，构成的。

夸克模型假设了三个夸克：

用夸克模型，很多实验现象都可以得到解释，强子也可以由夸克构建出来：比如质子是由两个上夸克和一个下夸克构成的，中子是由两个下夸克和一个上夸克构成的，π\pi 介子则是由上夸克和下夸克及其反粒子构成，具体看下图：

强子中的奇异粒子实际上是其中含有奇异夸克导致的，比如Λ0\Lambda^0就是由一个上夸克、一个下夸克以及一个奇异夸克构成的(uds)，而 K0K^0 则是一个下夸克和一个反奇异夸克构成的。

虽然中子的总电荷为零，但是构成中子的这三个夸克并不完全重合，因此会“泄露”出一点电荷，使得中子表现出不为零的磁矩。这就好像原子之间的电磁力，虽然整个原子是电中性的，但是电子和原子核并不完全重合，因此也会泄露出一点电磁力，因此才能使得原子与原子结合构成分子，也就是化学键。

值得指出的是，在夸克模型被提出的60年代，我国老一辈科学家提出了相对论性强子结构的层子模型，相关的研究成果领先于国际上非相对论夸克模型，比国际上同类相对论夸克模型要早1~2年左右。遗憾的是，由于当时我国与国际的科研交流非常有限，相关成果也以中文发表在国内非常普通且将要停刊的期刊上，导致国际学术界无法了解和引用这些成果[5]。

3、寻找夸克

由于夸克模型能够成功地解释许多事实，把极为复杂的事情变得非常简单，立即得到人们的普遍重视。如果仅仅是夸克模型，那么并不能说质子中子不是基本粒子，夸克模型更像是一种对强子分类的办法，是理论模型，要想得到验证就得需要实验。

人们做了很多实验，比如探测宇宙线，利用高能加速器等，希望能找到夸克存在的证据。然而，在1969年以前，什么证据也没有找到。这时，大多数人已经不抱希望，认为找不到夸克存在的证据，只能解释为所谓的夸克只不过是某种数学符号，物理方程中的一个数学量而已。

那么质子或者中子内部到底是不是夸克呢？要回答这个问题，最直接的想法就是去“看一下质子内部”。当然，这个“看一下”的过程并没有那么直接。比较典型的实验方法有深度非弹性散射（DIS, deep Inelastic scattering），简单地说就是用高能电子轰击质子，把电子打入质子内部，通过对末态粒子的分析来反推质子内部结构。1968年，斯坦福直线加速器中心进行了深度非弹实验。

实验发现，质子内有无数点电荷，且基本上是自由运动的。

深度非弹性实验有三个重要的发现，通过与理论模型的对比，可以的出关于质子的重要结论：

综合这3个实验发现得到质子结构的清晰图像：

质子是由自旋为1/2、带分数电荷的更微小的点粒子构成。

到这，就足以说明，质子和中子都不是基本粒子，而是由更小的粒子够成的。

当然，构成质子和中子的更基本的粒子除了夸克外，还有另一种不带电荷的粒子——胶子，胶子是强相互作用中传递强力的规范玻色子，由于不带电荷，不与电子发生参与，因此并没有在电子-质子深度非弹实验中被直接发现，此处不再多说。

4、量子色动力学

电子-质子深度非弹性散射实验表明了质子内的部分子具有“渐进自由”的性质，简单地说，部分子之间越接近，强作用力越弱。当部分子之间非常接近时，强作用力是如此之弱，以便到它们完全可以作为自由粒子活动。这种现象称为“渐近自由”（Asymptotic Freedom）。反之，部分子之间距离越大，强作用力就越强。

1973年，美国科学家格罗斯（David Jonathan Gross，1941- ）、波利茨（Hugh David Politzer，1949- ）、威尔茨克（Frank Wilczek，1951- ）发现SU(3)色规范群下的非阿贝尔规范群具有渐进自由的性质，由此建立了描述强相互作用的理论——量子色动力学（QCD，Quantum Chromodynamics）。他们也因此获得了2004年的诺贝尔物理学奖。

QCD中有两类基本的自由度，或者两类粒子：

实际上，电子-质子深度非弹性实验中没有被探测到的粒子就是胶子。QCD解释了胶子（gluon）的存在（胶子是强子中的电中性粒子，其作用是使夸克粘合而形成强子，胶子有八种态），认为带色的夸克通过交换胶子而结合，即夸克与夸克、或夸克与反夸克、或反夸克与反夸克之间通过胶子而结合在一起。凡带有色荷的粒子能放出和吸收胶子，从而实现强相互作用。吸收和放出胶子可使夸克改变颜色。而原子核内的核力是核子内夸克之间强相互作用力的剩余效应。

所以，我们现在知道了质子内部的成分，有价夸克，海夸克，还有胶子。

此时，上、下以及奇异三个夸克的提出以及实验发现就算是完成了。但是夸克的种类还不止于此。

5、粲夸克（charm）

在上、下以及奇异三味夸克被发现后，人们认为，奇异粒子K介子的衰变中，可能存在一种“奇异数改变的弱中性流”过程，也就是会发生如下两个过程：

K+→π++e++e−,K−→μ++μ−K^{+}\rightarrow\pi^{+}+e^{+}+e^{-},K^{-}\rightarrow \mu^{+}+\mu^{-}

而然实验结果发现这两种过程是不存在的，相应地，理论就要修改。1970年，Glashow、Iliopoulos以及Maiani提出一个成为GIM的机制，认为自然界应该存在第四种夸克，被称之为粲夸克（charm）。

1974年，丁肇中实验组在美国物理评论快报刊登了他们的实验结果，宣布他们在美国布鲁克海文国家实验室的30GeV加速器上，通过测量高能质子打击铍靶所产生的的正负电子对的有效质量，发现了一个质量3.1GeV的粒子，命名为 JJ 粒子：

同时，B.Richter等在斯坦福直线加速器中心的正负电子对撞机上也发现了一个重粒子，称之为 Ψ\Psi 粒子。后来，这个粒子就被称之为 J/ψJ/\psi 粒子。

J/ψJ/\psi 粒子实际上是有正反粲夸克对构成的复合粒子。

上、下、奇异、粲夸克，四位夸克之间存在一种对称性，那就是（上，下）构成一个对，（奇异，粲）构成另一个对，对与对之间的性质是比较相似的。而这样的对在轻子里也存在（电子中微子，电子），（缪子中微子，缪子）。也正是由于这种微观粒子之间的对称性所带来的美感，Glashow把它称之为“charm quark”，即“魅力夸克”。

6、顶夸克和底夸克

1977年，L.Lederman领导的小组在费米实验室的质子加速器上发现了两个新的长寿命粒子Y和Y，进一步研究发现这两个粒子是全新的夸克——底夸克（bottom）——的（夸克-反夸克）束缚态，底夸克的质量达到了4.18GeV，这已经非常重了，要知道，一个质子也才0.93GeV左右。

按照上一节中提到的对称性，显然还应该存在另一种夸克与底夸克成对，这就是1994年，费米实验室发现的顶夸克（top）。顶夸克的质量就更大了，达到了176GeV，远远超过另外五味夸克，也比很多原子核的质量都大，跟金原子核的质量差不多了。

7、标准模型

目前，人们一共发现了六味夸克，六味轻子，以及胶子、光子、W/Z玻色子和希格斯玻色子，这些粒子以及对应的电磁、弱、强相互作用理论，一同构成了如今的粒子物理标准模型。

这些粒子目前认为都是基本粒子，也就是没有内部结构。当然，这是基于目前的实验结果来看的，所以并不排除未来的实验发现这些“基本”粒子中还存在内部结构，当然，这就需要更大能量的对撞机了。其中，希格斯玻色子的性质目前了解的还不是很多，对于它是不是基本粒子还很难说，这就给下一步粒子物理的发展提供了一个可能的方向。

后话1：什么叫“存在”

由于存在“色禁闭”，任何带有色荷的粒子都不能独立存在，自然界中只存在色单态。因此，夸克和胶子都无法被分离出来，只能相互抱团，形成复合粒子，比如质子、中子等。这一点在描述强相互作用的理论——量子色动力学中也有体现：

夸克、胶子之间的强相互作用强度随着能标的变化，可以看到，在低能下，这个强度会变得很大，而低能量则对应着大距离，也就是说，当两个夸克离得越来越远的时候，夸克之间的力就很大，那么就很难被分开。

但是，用这个模型得出的定量的结果与实验测量的结果符合地很好，那么就可以认为夸克是存在的。这并不是什么“地库中的喷火龙”，而是实实在在的实验证据。

后话2：为什么叫“夸克”

“夸克”这个名字来源于爱尔兰小说家詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》[6]，其中提到其中提到苏格兰—种野鸭的叫声：

夸克……夸克……夸克……三只海鸟伸直脖子，

—齐冲着绅士马克。

但除了三声夸克，

他选择这个名字是因为他觉得这个词听起来有趣而且不太可能在科学界中被使用过。

后话3：为什么叫J/\psi 粒子？

这不是一个很奇怪的名字吗？丁肇中给这个粒子起名J粒子，一个原因是大写的 J 跟丁肇中的中文姓“丁”长得很像。而Richter本来称这个粒子为“SP”，但是他的同事都不喜欢这个名字，后来就改成希腊字母 \psi 。考虑到丁肇中与Richter两个组几乎同时发现这个粒子，很难区分谁的贡献更大，于是干脆就把这个粒子叫做J/\psi 粒子，这也是唯一由两个字母标记的粒子。他们俩也同时获得了1976年的诺贝尔物理学奖[7]。

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参考