最小的粒子？夸克会是万物之基吗？答案很奇妙

什么是夸克？

在构成我们身体的原子深处，甚至在构成原子核的质子和电子内部，都存在着一种微小粒子——夸克。

白色漩涡图案和蓝色背景相交织的艺术家插图。

(图片来源: 盖帝图像的最佳设计图)

夸克是宇宙中一切可见物质最基本的组成部分。如果放大我们体内的一个原子，能看到原子核是由质子和中子构成，电子围绕原子核旋转。如果放大一个质子或中子，能看到该粒子本身是由3个微粒构成，这些微粒非常小，大小几乎可以完全忽略不计，它们就是夸克。

夸克是基本粒子。和电子一样，它们不由其他粒子组成。可以说它们在粒子物理学标准模型的底层。

基思·库珀(Keith Cooper)是英国自由科学记者和编辑，拥有曼彻斯特大学物理学和天体物理学学位。

发现夸克

1964年，两位加州理工学院(CalTech)的物理学家，默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）和乔治·茨威格（George Zweig）首次提出了夸克存在的理论，但他们的结论是夸克彼此独立存在，与媒体上经常描述的科学事实相反。盖尔曼和茨威格的结论并不是一个突然的发现，而是建立在多年努力工作的基础上，通过仔细观察才发现的。

20世纪50年代，物理学家在建立一个已知粒子的图书馆，但缺少证明粒子存在的基本理论。有点像植物学把各种类型的植物和它们的性状编目。最终这个理论被命名为标准模型，但为了完成这个理论，还须几个重要的发现，包括发现夸克。

最令人困惑的是超子，这种粒子不稳定且衰变速度很快，但衰变后并没有变成预期的粒子。盖尔曼意识到一定有一种未知的量子特性在起作用，因其奇异，他将之命名为“奇异性”。

就像奇异数、电荷和自旋一样，量子数必须是守恒的。如果一个具有特定量子数的粒子衰变，那么衰变产物的所有量子加起来必定等于该衰变粒子所具有的量子数。此外，粒子的量子数具有“自由度”——基本上是这些量子数具有的值的范围。这些自由度称为多重态，这些多重态可以排列在不同的粒子之间，这使得盖尔曼和茨威格相信，如果每个粒子都是由两个或三个更小的粒子形成的，那么这些粒子及其多重态就可以被解释清楚。

茨威格称这些微小的基本粒子为“王牌”，但这个名字并没有流行起来。盖尔曼一向喜欢起一些古怪而令人难忘的名字，他称这些微小粒子为夸克，源自詹姆斯·乔伊斯的实验小说《芬尼根的守灵夜》（Finnegan's Wake）中的一句台词:“向马克呼三次夸克!”在小说中，夸克指的是主人公马克先生的三个孩子。

这些夸克被称为“上夸克”、“下夸克”和“奇异夸克”。上下夸克并不指代任何东西，且奇异量子数为0。而奇异夸克的奇异量子数为-1，这就是它为什么“奇异”。

量子物理学中的夸克

大型强子对撞机位于一个周长近17英里(27公里)的圆形地下隧道中。

(图片来源: 盖帝图像的xenotar)

尽管这个理论很有想法，但并没有快速流行起来，因为没有实验证明夸克的存在。四年后的1968年，加利福尼亚州的斯坦国家加速器实验室(SLAC)实现了这一目标。实验人员先向质子发射电子，然后发射μ子，发现电子和μ子因质子中的三个更小粒子发生了散射，每个更小粒子都有自己的电荷。这些小粒子就是夸克。

事实证明，夸克总共有六种类型：除了上夸克、下夸克和奇异夸克之外，还有“粲夸克”、“顶夸克”和“底夸克”。每个夸克都有自己的一组量子数，它们的质量也大不相同，上夸克和下夸克的质量最轻，顶夸克的质量最重，是上夸克的61000多倍。为什么它的质量如此之大目前还不完全清楚，但它确实会迅速衰变为质量较轻的夸克。大型强子对撞机等粒子加速器能够短暂地产生顶夸克和底夸克，这是科学家知道它们存在的唯一方式。

研究夸克的困难在于，在正常情况下，夸克并不是单独存在的。强大的核力使它们总是束缚在一起，从而形成称为强子的复合粒子。两个夸克组成的粒子称为介子，三个夸克组成的粒子称为重子，包括质子(两个上夸克和一个下夸克)和中子(一个上夸克和两个下夸克)。由四个夸克组成的粒子叫做四夸克，五个夸克组成的叫五夸克，其中一些粒子较稳定，但最终会衰变。

为了符合量子物理理论，夸克的行为受控于量子色动力学（quantum chromodynamics）模型，简称QCD。名称中的“chromo”指的 “颜色”不是红、绿或蓝，而是夸克拥有的特定量子数的名词。颜色在强力中的作用就像电荷在电磁力中的作用。一样的颜色相互排斥，不同的颜色(即一种颜色和它的反色)相互吸引，从而形成稳定的夸克对。像其他量子数一样，它也是守恒的。

宇宙大爆炸和夸克胶子等离子体

宇宙诞生于138亿年前。

(图片来源: 盖帝图像的ALFRED PASIEKA/科学图片库)

强子内部有一种叫做胶子的微小基本粒子，其携带的强力将夸克束缚在一起，胶子在夸克之间进行交换。分离单个夸克群需要巨大的能量(强力的名字不是不无来由的)。这种原始能量只存在于宇宙大爆炸后的百亿分之一秒到百万分之一秒之间，此时温度约为3.6万亿华氏度(2万亿摄氏度)。在这个短暂的早期，初生宇宙中充满了夸克胶子等离子体，一种由自由漂浮的夸克和胶子组成的液态物质。

随着初生宇宙膨胀，温度和压力迅速下降，夸克随之结合在一起形成强子，最终形成了现金宇宙中所有可见物质的基础，如恒星、星系、行星和人。

尽管夸克胶子等离子体只存在于138亿年前宇宙大爆炸之后的短暂时间里，但科学家们通过将两个重原子核(比如铅原子核)以接近光速相互撞击，成功地重新创造了它。该实验首次达成于2000年欧洲核子研究中心的超级质子同步加速器。

因此，要想更好地了解大爆炸后宇宙的状况，在粒子加速器实验中研究夸克胶子等离子体是一个重要途径。

夸克星

自然界中有一种被称为“夸克星”的假想物体，其内部条件极端，夸克在里面无法结合。如果这是真实存在，那可能是一种极端中子星。中子星是宇宙中已知密度最高的物体，在重力作用下没有坍缩形成黑洞。超新星是一种剧烈的爆炸，标志着大质量恒星的毁灭，中子星诞生于超新星。当恒星的外层消散，在重力作用下恒星核心坍塌，那里的压力变得非常大，使带正电荷的质子与带负电荷的电子结合，电荷抵消形成中性中子。中子星直径约有6英里(10公里)，一勺中子星物质相当于一座山的质量。

然而，从理论上讲，垂死恒星的核心密度可能会变得更高。在这种情况下，中子会分裂，释放夸克自由。这就是夸克星。

然而，就目前而言，夸克星仍是纯粹的假设；尽管有少数候选中子星似乎与普通中子星的性质略有不同，比如直径更小且质量更大，但天文学家最终还没有发现一颗夸克星。

有一个候选中子星实际上不是在超新星中形成的，而是由两颗中子星合并而成，产生了GW 190425的引力波事件，在2019年激光干涉空间天线（LISA）和处女座引力波探测器都捕捉到了该引力波。合并后的天体质量在3.11到3.54个太阳质量之间。对于中子星来说它的质量太大了(理论上中子星的质量不可能超过2.4个太阳质量)，但又不足以成为黑洞(黑洞至少需要大约5个太阳质量)。它会是夸克星吗?

另一种可能性是，中子星也许是混合天体，外层是普通中子星物质，内核深处是夸克物质。

BY:Keith Cooper

FY:张瓜瓜

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