【极小篇｜第五章（上）粒子物理（夸克）】03 夸克的种类和性质

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严老师讲义 

5.3.1 重子和介子都由夸克组成

有了夸克的概念，我们就可以讨论它们是如何组成重子的。包括质子和中子在内，总共有十种重子。

既然夸克之间可以相互结合，它们之间的作用力是什么？简单猜测一下，应该是我们之前说过的强相互作用力。因为弱力和电磁力跟强力相比都非常弱，夸克之间也有电磁斥力，要能把夸克锁在一起的也只能是强力了。强相互作用力把夸克绑在一起，三个为一组，形成了重子。

由于每一种夸克的性质各不相同，组合之下形成的十种重子性质也各不相同。比如有一种重子，叫Δ粒子，就有两个正电荷，它由三个上夸克组合而成。

有了夸克的概念，我们就可以理解介子如何提供强力了。介子都由一个夸克以及一个反夸克组成。其中，反夸克是夸克的反粒子。当质子和中子接近时，它们内部的夸克相互作用形成介子，通过交换介子产生了强相互作用力。这就是夸克形成重子、介子，以及为什么会产生强相互作用力的过程。

接下来就有了一个问题：为什么最多是三个夸克形成重子？两个正反夸克形成介子？为什么不能是四个、五个夸克组成更重的粒子呢？我们依然沿用之前的经验来回答这个问题。既然多了一个限制，就应该多一个约束条件。

5.3.2 夸克之间靠什么连接：色

为了创造新的约束条件，我们要给夸克增加新的性质。这个新性质叫做色荷。我们规定：每种夸克都可以带一个量子性质，色。

色一共有三种，借用了光的三原色的概念，这三种色分别是红、绿、蓝。当然这里的“红绿蓝“只是三个名称而已，不是真的红色、绿色和蓝色。夸克的大小远小于光波波长，是不会存在真实的颜色的。

色的作用就是提供强力。所以强相互作用力，也叫色力，这里色提供强相互作用力的机制，本质是因为它们交换了一种叫胶子的粒子，我们将在【极小篇】第六章中讲解。研究色的性质的理论，叫色动力学(Chromodynamics)。就好像我们有正电荷和负电荷两种电荷，而色荷有三种。就像地球上的生物大多有两种性别：磁性和雄性，但可能某个外星上的生物有三种性别。著名的科幻小说家阿西莫夫的小说《神们自己》，就描绘了一个平行宇宙中的文明拥有三种性别，其中每两种性别交配都可以产生后代，三种性别一起交配就会产生最高级的生物。

有了色的概念以后，我们规定：任何能够在时空中存在的重子必须是白色的。这里的白色也是类比出来的概念，红、绿、蓝三色光混在一起就是白色。也就是说：任何一个重子里面的三个夸克，必须分别带红、绿、蓝三色，这样的粒子才能稳定存在。介子是由一个夸克和一个反夸克组成的，反夸克的色是反色。比如一个红色的夸克，它的反夸克就是反红色。红色和反红色结合在一起互相抵消，最终也是白色。

所以为什么是三个夸克组成一个重子？因为如果是四个夸克，就没有办法凑成白色。

这也说明了为什么在实验里从来都没有发现独立的夸克，恰恰是因为单独的夸克只有单色。它不是白色，所以无法独立、稳定的存在。

5.3.3 夸克之间能相互转化：味

我们现在知道：色负责提供强力；夸克都带电，所以能提供电磁力；夸克都有质量，因此也能提供引力，只不过这个引力非常弱。除此之外，我们在上一章中提到了一种核反应——β衰变。β衰变的原因是因为弱力的存在。既然β衰变是中子的行为，中子又由夸克组成，那么在夸克层面上看β衰变的机制是什么呢？换句话说，弱相互作用力和夸克有什么关系？这就对应了夸克的另一个性质——味(flavor)。

就盖尔曼的理论来说，夸克的种类有三种，分别是：上夸克、下夸克和奇异夸克。这里的上、下、奇异就是用来区分夸克的种类的味。

夸克的味是主导弱相互作用的关键，所以β衰变的发生主要依靠味。β衰变的过程中，中子转变为质子，本质是中子中的一个下夸克的味从下变成了上。这个夸克的味发生了转变，所以才有了β衰变。

下一节我们会继续介绍味的性质。

5.3.4 夸克一共有六种

本来到盖尔曼这里，一切看似都很美好。夸克有三种，对应于三种味：上、下、奇异。夸克有色荷，色可以是三种：红、绿、蓝。独立存在的粒子必须是白色的，比如重子，以及由夸克和反夸克组成的介子。

但是 1974 年的时候，粒子物理界发生了一件大事，后来被称为11月革命。华裔物理学家丁肇中，发现了一种非常奇特的介子。这种介子的质量非常之大，甚至是质子的三倍。它的质量完全不像一个介子，是一种前所未见的新介子。

这种介子后来被证明是由一种新的夸克和它自身的反夸克组成的。这种夸克有不同的味，后来被命名为charm，粲夸克。它有 2/3 的正电荷以及1/2的自旋，但质量非常大，甚至比质子的质量还要大。因为 J 的形态很像中文的“丁”字，丁肇中把这种介子命名为“J介子”。丁肇中也因为这项发现获得了1976年的诺贝尔物理学奖。但是粲夸克还不是最终的夸克，随着实验水平的进步，又有两个新的夸克被发现了，它们是质量更大的顶夸克和底夸克。这三种新的夸克，说明可能存在更多新的重子和介子，它们也大多在实验室里被找到了。

至此我们对基本粒子的理解又进了一步。原子核里的情况我们都清楚了，甚至重子、介子我们都有所了解。总得来说，有六种夸克组成了所有的重子和介子。当然，这里还包含了它们的反粒子。算上反粒子，一共有12种夸克。重子和介子可以统称为强子，因为它们都是夸克通过强相互作用力结合在一起而形成的。

但是不要忘了，除了强子以外还有其它种类的粒子。宇宙中并非所有的粒子都由夸克组成，其它比较轻的基本粒子，比如电子，目前看来跟夸克和强力没有直接关系。通过对夸克的学习和了解，我们知道了如何去解释那些质量比较大，且参与强相互作用力的粒子。但是还有一大批粒子，并不参与强相互作用。它们属于另外一批粒子，叫做轻子。我们将在下一章详细讲解。