第350章 夸克 一）（1 / 6）

夸克的组成：微观世界的基本构建单元

在探索物质的基本构成时，夸克作为组成质子和中子的基本粒子，扮演着至关重要的角色。夸克的存在不仅解释了强相互作用的本质，还为粒子物理学的标准模型奠定了基础。

要深入理解夸克的组成及其在物质结构中的作用，我们需要从基本概念出发，逐步探讨其性质、分类、相互作用以及它们如何结合形成更复杂的粒子。

夸克的发现与基本性质

夸克的概念最早由美国物理学家默里·盖尔曼和乔治·茨威格在1964年独立提出。当时，科学家们发现强子（如质子和中子）似乎具有内部结构，无法用点粒子模型完全解释。

盖尔曼借用詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》中的词语“夸克”（quark）来命名这种假想的基本粒子。实验证据随后在1968年的斯坦福直线加速器中心（SLAc）的深度非弹性散射实验中得到支持，证实了质子的内部存在点状结构，即夸克。

夸克是费米子，遵循泡利不相容原理，具有半整数自旋（1\/2）。它们携带分数电荷，这是与电子等轻子最显着的区别之一。夸克的电荷可以是+2\/3e或1\/3e（e为元电荷），而反夸克则携带相反的电荷。例如，上夸克的电荷为+2\/3e，而下夸克的电荷为1\/3e。

夸克还具有一种独特的量子数，称为“色荷”（color charge），这是强相互作用的核心属性。与电磁相互作用中的电荷类似，色荷决定了夸克如何通过胶子（传递强力的媒介粒子）相互作用。色荷分为三种类型：红、绿、蓝（尽管这些名称与视觉颜色无关，仅用于区分）。夸克的组合必须满足“色中性”原则，即总色荷为零，这与自然界中观察到的强子（如质子和中子）的稳定性一致。

夸克的味与代

夸克按照其性质分为六种“味”（flavor），分别称为上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）和顶（t）夸克。这些夸克可以进一步分为三代，每一代的质量和稳定性不同：

1. 第一代夸克：上夸克和下夸克。它们是最轻且最稳定的夸克，构成了日常物质中的质子和中子。上夸克的质量约为2.3 meV\/c2，下夸克约为4.8 meV\/c2。

2. 第二代夸克：奇夸克和粲夸克。奇夸克的质量约为95 meV\/c2，而粲夸克的质量约为1.27 GeV\/c2。这些夸克在高能碰撞中短暂出现，随后衰变为更轻的粒子。

3. 第三代夸克：底夸克和顶夸克。底夸克的质量约为4.18 GeV\/c2，而顶夸克的质量极为巨大，约为172.76 GeV\/c2，几乎与金原子核相当。顶夸克的寿命极短，通常在产生后瞬间衰变。

夸克的质量差异对其行为和宇宙中的分布具有深远影响。例如，顶夸克由于质量极大，只能在极高能量的粒子对撞中产生，而上下夸克则因其低质量而广泛存在于稳定物质中。

夸克的束缚与强相互作用

夸克之间的相互作用由量子色动力学（qcd）描述，这是标准模型中强相互作用的理论框架。qcd的核心概念是“色禁闭”（color confinement），即夸克无法以自由状态存在，只能以组合形式（如介子或重子）出现。这种现象源于强力的特殊性质：随着夸克之间的距离增大，强力不仅不会减弱，反而会增强，类似于拉伸橡皮筋时的张力。

强相互作用通过胶子传递，胶子自身也携带色荷，这使得强力比电磁力或引力复杂得多。在极短距离内（约10?1?米），夸克之间的相互作用较弱，表现为“渐近自由”（asymptotic freed