刘妙媛:夸克的由来

夸克一词是盖尔曼取自J·乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》的词句“为马克检阅者王，三声夸克”．夸克在该书中具有多种含义，其中之一是一种海鸟的叫声．他认为，这适合他最初认为“基本粒子不基本、基本电荷非整数”的奇特想法，同时他也指出这只是一个笑话，这是对矫饰的科学语言的反抗．另外，也可能是他喜欢鸟类的原因．

美国麻省理工学院(MIT)的杰罗姆·弗里德曼(Jerome Friedman)、享利·肯德尔(Henry kendall)和斯坦福直线加速器中心(SLAC)的理查德·泰勒(RichardTaylor)，因1967年至1973年期间在斯坦福(Stanford)利用当时最先进的二公里电子直线加速器就电子对质子和中子的深度非弹性散射所做的一系列开创性的实验工作而荣获1990年诺贝尔物理奖．这说明，人们在科学上最终承认了夸克的存在．

加拿大人泰勒于1950年获得理学学士学位，1652年获得硕士学位，1962年在斯坦福获得博士学位，1968年成为斯坦福直线加速器中心的副教授，1970年提升为教授．美国人弗里德曼于1950年在芝加哥大学获得学士学位，1953年获得硕士学位，1956年获得博士学位，1960年他以副教授的身份来到麻省理工学院，1967年升为教授，1983—1988年任该院物理系主任．美国人肯德尔于1950年从阿姆海斯特学院获得学士学位，1954年在麻省理工学院获物理学博士学位，两年后任斯坦福的副教授，1967年在麻省理工学院任教授．

斯坦福直线加速器中心所做的实验与卢瑟福(E·Rutherford)所做的验证原子核式模型的实验类似．正象卢瑟福由于大量α粒子的大角度散射现象的观察，预言原子中有核存在一样，斯坦福直线加速器中心由前所未料的大量电子的大角度散射现象，证实核子结构中有点状组分，这种组分现在被理解为夸克．

盖尔曼(M·Gell—Mann)于1964年己预言过夸克的存在，与此同时，加利福尼亚理工学院(Caltech)的茨威格(G·Zweig)也独立地提出了这一预言．在斯坦福直线加速器中心——麻省理工学院所做的实验之前，没有人能拿出令人信服的动力学实验来证实质子和中子中有夸克存在．事实上，在那段时期理论学家对强子理论中夸克所扮演的角色还不清楚．正如乔尔斯考格(C·Jarlskog)在诺贝尔颁奖仪式上向瑞典国王介绍获奖者时所说的那样，“夸克假说不是当时唯一的假说．例如有一个叫‘核民主’的模型，认为没有任何粒子可以被叫做基本单元，所有粒子是同等基本的，是相互构成的．”

1962年斯坦福开始建造大的直线加速器，它的能量为10—20GeV，经过一系列改进后，能量可达到50GeV．两年后，斯坦福直线加速器中心主任潘诺夫斯基(W·Panofsky)得到几个年轻物理学家的支持，这些人在他担任斯坦福高能物理实验室主任时和他共过事，泰勒就是其中一员，并担任了一个实验小组的领导．不久弗里德曼和肯德尔也加入进来，他俩那时是麻省理工学院的教师，他们一直在5GeV的剑桥电子加速器上做电子散射实验，这个加速器是一个回旋加速器，它的容量有限．但是在斯坦福将有20GeV的加速器，它可以产生“绝对强”的射线束、高的电流密度和外部射线束．加利福尼亚理工学院的一个小组也加入合作，他们的主要工作是比较电子——质子散射和正电子——质子散射．这佯，来自斯坦福直线加速器中心、麻省理工学院和加利福尼亚理工学院的科学家组成了一支庞大的研究队伍(这支队伍称作A组)．他们决定建造两个能谱仪，一个是8GeV的大接受度能谱仪，另一个是20GeV的小接受度能谱仪．新设计的能谱仪和早期的能谱仪不同的地方是它们在水平方向用了直线一点聚焦，而不是旧设备的逐点聚焦．这种新设计能够让散射角在水平方向散开，而动量在垂直方向散开．动量的测量可以达到0.1％，散射角的精度可以达到0.3毫弧度．

在那时，物理学的主流认为质子没有点状结构，所以他们预料散射截面将随着q2的增加迅速减小(q是传递给核子的四维动量)．换句话说，他们预想大角度散射将会很少，而实验结果出乎意料的大．在实验中，他们使用了各种理论假设来估算计数率，这些假设中没有一个包括组元粒子．其中一个假设使用了弹性散射中观察到的结构函数，但实验结果和理论计算相差一个到两个数量级．这是一个惊人的发现，人们不知道它意味着什么．世界上没有人(包括夸克的发明人和整个理论界)具体而确切地说：“你们去找夸克，我相信它们在核子里．”在这种情况下，斯坦福直线加速器中心的理论家比约肯(J·Biorken)提出了标定无关性的思想．当他还是斯坦福的研究生时，就和汉德(L·Hand)一起完成了非弹性散射运动学的研究．当比约肯1965年2月回到斯坦福时，由于环境的影响，自然又做起有关电子的课题．他记起1961年在斯坦福学术报告会上听斯格夫(L·Schiff)说过，非弹性散射是研究质子中瞬时电荷分布的方法，这个理论说明了电子非弹性散射怎样给出原子核中中子和质子的动量分布．当时，盖尔曼把流代数引进场论，抛弃了场论中的某些错误而保持了流代数的对易关系．阿德勒(S·Adler)用定域流代数导出了中微子反应的求和规则．比约肯花了两年时间用流代数研究高能电子和中微子散射，以便算出结构函数对整个求和规则的积分，并找出结构函数的形状和大小．结构函数W1和W2一般来说是两个变量的函数．这两个变量是四维动量转移的平方q2和能量转移v，比约肯则认为，结构函数W2仅仅依赖于这些变量的无因次比率ω=2Mv/q2(M表示质子质量)，即vW2=F(ω)，这就是比约肯标度无关性．在得出标度无关性时，他用了许多并行的方法，其中最具有思辩性的是点状结构．流代数的求和规则暗示了点状结构，但并不是非要求点状结构不可．然而比约肯根据这种暗示，结合雷吉极点等其它一些使求和规则收敛的强相互作用概念，自然地得出了结构函数标定无关性．

标定无关性提出后，很多人不相信．正如弗里德曼所说：“这些观点提出来了，我们并不完全确认．他是一个年青人，我们感到他的想法是惊人的．我们预料看不到点状结构，他说的只是一大堆废话．”1967年末和1968年初，关于深度非弹性散射的实验数据已开始积累．当肯德尔把崭新的数据分析拿给比约肯看了以后，比约肯建议用标度无关变量ω来分析这些数据．按照旧方法描出的图，肯德尔说：“数据很散，就象鸡的爪印一样布满坐标纸．按比约肯的方法(vW2对ω)处理数据时，它们就用一种强有力的方式集中起来．我记起当时巴尔末发现他的经验关系时的感受——氢光谱的波长被绝对精确的拟合．”1968年8月，在第十四届国际高能物理会上，弗里德曼报告了第一个结果，潘诺夫斯基作为大会的领导很犹豫地提出了核子点状结构的可能性．

当从20GeV的能谱仪收集到6°和10°散射的数据后，A组就着手用8GeV能谱仪做18°、26°和34°的散射．根据这些数据发现第二个结构函数W1也是单一变量ω的函数，也就是说遵守比约肯标度无关性．所有这些分析结果，直到今天仍然是正确的，即使经过更精确的辐射修正，其结果的差异也不大于1％．从1970年开始，实验者们用中子作了类似的散射实验，在这些实验中，他们交替用氢(质子)和氘(中子)各做一个小时的测量以减小系统误差．

早在1968年，加利福尼亚理工学院的R·费因曼已经想到强子是由更小的“部分子”组成的．同年8月他访问斯坦福直线加速器中心时，看到了非弹性散射的数据和比约肯标度无关性．费因曼认为部分子在高能相对论核

也就是说结构函数与部分子的动量分布是相关的．这是一个简单的动力学模型，又是比约肯观点的另一种说法．费因曼的工作大大刺激了理论工作，几种新的理论出现了．在凯兰(C·Gllan)和格洛斯(D·Gross)得出W1和W2的比率R和部分子自旋紧密相关后，斯坦福直线加速器中心—麻省理工学院

尔曼对夸克的要求，从而淘汰了其它的假设．中子的数据分析清楚地显示出中子产额不同于质子产额，这也进一步否定了其它的理论假设．

一年以后，在欧洲核子研究中心的重液泡室做的中微子非弹性散射，对斯坦福直线加速器中心的实验结果做了有力的扩展．为了考虑夸克之间的电磁相互作用和中微子之间弱流相互作用的区别，把斯坦福直线加速器中心对

与斯坦福直线加速器中心的数据完全符合．后来的μ子深度非弹性散射、电子—正电子碰撞、质子—反质子碰撞、强子喷注都显示了夸克—夸克相互作用．所有这些都强有力地证明了强子的夸克结构．

物理学界接受夸克用了好几年的时间，这主要是由于夸克的点状结构与它们在强子中的强约束的矛盾．正象乔尔斯考格在诺贝尔颁奖仪式上所说的那样，夸克理论不能完全唯一地解释实验结果，获得诺贝尔奖的实验表明质子还包含有电中性的结构，不久发现这就是“胶子”．在质子和其它粒子中胶子把夸克胶合在一起．1973年格洛斯、威耳茨克(F·Wilczek)和鲍里泽尔(H·D·Politzer)独立地发现了非阿贝尔规范场的渐近自由理论．这种理论认为，如果夸克之间的相互作用是由色规范胶子引起的，夸克之间的耦合在短距离内呈对数减弱．这个理论(后来被叫做量子色动力学)很容易地解释了斯坦福直线加速器中心的所有实验结果．另外，渐近自由的反面，远距离耦合强度的增加(叫红外奴役)说明了夸克禁闭的机制．夸克之父，盖尔曼1972年在第十六届国际高能物理会议上说：“理论上并不要求夸克在实验室中是真正可测的，在这一点上象磁单极子那样，它们可以在想象中存在．”总之，斯坦福直线加速器中心的电子非弹性散射实验显示了夸克的点状行为，它是量子色动力学的实验基础．

夸克
quark

20世纪60年代，美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克(quark)组成的，很多中国物理学家称其为“层子”。它们具有分数电荷，是电子电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。“夸克”一词是由默里·盖尔曼改编自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根彻夜祭》(Finnegan's Wake)中的诗句。最初解释强相互作用粒子的理论需要三种夸克，叫做夸克的三种味，它们分别是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇异夸克(strange,s)。1974年发现了J/ψ粒子，要求引入第四种夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c)。1977年发现了Υ粒子，要求引入第五种夸克底夸克(bottom,b)。1994年发现第六种夸克顶夸克(top,t)，人们相信这是最后一种夸克。

夸克理论认为，所有的重子都是由三个夸克组成的，反重子则是由三个相应的反夸克组成的。比如质子(uud)，中子(udd)。夸克理论还预言了存在一种由三个奇异夸克组成的粒子(sss)，这种粒子于1964年在氢气泡室中观测到，叫做负ω粒子。

夸克按其特性分为三代，如下表所示：

符号 中文名称 英文名称 电荷(e) 质量(GeV/c^2)

u 上夸克 up +2/3 0.004

d 下夸克 down -1/3 0.008

c 粲(魅)夸克 charm +2/3 1.5

s 奇夸克 strange -1/3 0.15

t 顶夸克 top +2/3 176

b 底夸克 bottom -1/3 4.7

在量子色动力学中，夸克除了具有“味”的特性外，还具有三种“色”的特性，分别是红、绿和蓝。这里“色”并非指夸克真的具有颜色，而是借“色”这一词形象地比喻夸克本身的一种物理属性。量子色动力学认为，一般物质是没有“色”的，组成重子的三种夸克的“颜色”分别为红、绿和蓝，因此叠加在一起就成了无色的。因此计入6种味和3种色的属性，共有18种夸克，另有它们对应的18种反夸克。

夸克理论还认为，介子是由同色的一个夸克和一个反夸克组成的束缚态。例如，日本物理学家汤川秀树预言的[[π+介子]]是由一个上夸克和一个反下夸克组成的，π-介子则是由一个反上夸克和一个下夸克组成的，它们都是无色的。

除顶夸克外的五种夸克已经通过实验发现它们的存在，华裔科学家丁肇中便因发现粲夸克而获诺贝尔物理学奖。近十年来高能粒子物理学家的主攻方向之一是顶夸克 (t)。

至于1994年最新发现的第六种“顶夸克”，相信是最后一种，它的发现令科学家得出有关夸克子的完整图像，有助研究在宇宙大爆炸之初少于一秒之内宇宙如何演化，因为大爆炸最初产生的高热，会产生顶夸粒子。

研究显示，有些恒星在演化末期可能会变成“夸克星”。当星体抵受不住自身的万有引力不断收缩时，密度大增会把夸克挤出来，最终一个太阳大小的星体可能会萎缩到只有七、八公里那么大，但仍会发光。

夸克理论认为，夸克都是被囚禁在粒子内部的，不存在单独的夸克。一些人据此提出反对意见，认为夸克不是真实存在的。然而夸克理论做出的几乎所有预言都与实验测量符合的很好，因此大部分研究者相信夸克理论是正确的。

1997年，俄国物理学家戴阿科诺夫等人预测，存在一种由五个夸克组成的粒子，质量比氢原子大50％。2001年，日本物理学家在SP环－8加速器上用伽马射线轰击一片塑料时，发现了五夸克粒子存在的证据。随后得到了美国托马斯·杰裴逊国家加速器实验室和莫斯科理论和实验物理研究所的物理学家们的证实。这种五夸克粒子是由2个上夸克、2个下夸克和一个反奇异夸克组成的，它并不违背粒子物理的标准模型。这是第一次发现多于3个夸克组成的粒子。研究人员认为，这种粒子可能仅是“五夸克”粒子家族中第一个被发现的成员，还有可能存在由4个或6个夸克组成的粒子。