最小的粒子？夸克會是萬物之基嗎？答案很奇妙

什麼是夸克？

在構成我們身體的原子深處，甚至在構成原子核的質子和電子內部，都存在着一種微小粒子——夸克。

白色漩渦圖案和藍色背景相交織的藝術家插圖。

(圖片來源: 蓋帝圖像的最佳設計圖)

夸克是宇宙中一切可見物質最基本的組成部分。如果放大我們體內的一個原子，能看到原子核是由質子和中子構成，電子圍繞原子核旋轉。如果放大一個質子或中子，能看到該粒子本身是由3個微粒構成，這些微粒非常小，大小几乎可以完全忽略不計，它們就是夸克。

夸克是基本粒子。和電子一樣，它們不由其他粒子組成。可以說它們在粒子物理學標準模型的底層。

基思·庫珀(Keith Cooper)是英國自由科學記者和編輯，擁有曼徹斯特大學物理學和天體物理學學位。

發現夸克

1964年，兩位加州理工學院(CalTech)的物理學家，默裡·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）和喬治·茨威格（George Zweig）首次提出了夸克存在的理論，但他們的結論是夸克彼此獨立存在，與媒體上經常描述的科學事實相反。蓋爾曼和茨威格的結論並不是一個突然的發現，而是建立在多年努力工作的基礎上，通過仔細觀察才發現的。

20世紀50年代，物理學家在建立一個已知粒子的圖書館，但缺少證明粒子存在的基本理論。有點像植物學把各種類型的植物和它們的性狀編目。最終這個理論被命名爲標準模型，但爲了完成這個理論，還須幾個重要的發現，包括髮現夸克。

最令人困惑的是超子，這種粒子不穩定且衰變速度很快，但衰變後並沒有變成預期的粒子。蓋爾曼意識到一定有一種未知的量子特性在起作用，因其奇異，他將之命名爲“奇異性”。

就像奇異數、電荷和自旋一樣，量子數必須是守恆的。如果一個具有特定量子數的粒子衰變，那麼衰變產物的所有量子加起來必定等於該衰變粒子所具有的量子數。此外，粒子的量子數具有“自由度”——基本上是這些量子數具有的值的範圍。這些自由度稱爲多重態，這些多重態可以排列在不同的粒子之間，這使得蓋爾曼和茨威格相信，如果每個粒子都是由兩個或三個更小的粒子形成的，那麼這些粒子及其多重態就可以被解釋清楚。

茨威格稱這些微小的基本粒子爲“王牌”，但這個名字並沒有流行起來。蓋爾曼一向喜歡起一些古怪而令人難忘的名字，他稱這些微小粒子爲夸克，源自詹姆斯·喬伊斯的實驗小說《芬尼根的守靈夜》（Finnegan's Wake）中的一句臺詞:“向馬克呼三次夸克!”在小說中，夸克指的是主人公馬克先生的三個孩子。

這些夸克被稱爲“上夸克”、“下夸克”和“奇異夸克”。上下夸克並不指代任何東西，且奇異量子數爲0。而奇異夸克的奇異量子數爲-1，這就是它爲什麼“奇異”。

量子物理學中的夸克

大型強子對撞機位於一個周長近17英里(27公里)的圓形地下隧道中。

(圖片來源: 蓋帝圖像的xenotar)

儘管這個理論很有想法，但並沒有快速流行起來，因爲沒有實驗證明夸克的存在。四年後的1968年，加利福尼亞州的斯坦國家加速器實驗室(SLAC)實現了這一目標。實驗人員先向質子發射電子，然後發射μ子，發現電子和μ子因質子中的三個更小粒子發生了散射，每個更小粒子都有自己的電荷。這些小粒子就是夸克。

事實證明，夸克總共有六種類型：除了上夸克、下夸克和奇異夸克之外，還有“粲夸克”、“頂夸克”和“底夸克”。每個夸克都有自己的一組量子數，它們的質量也大不相同，上夸克和下夸克的質量最輕，頂夸克的質量最重，是上夸克的61000多倍。爲什麼它的質量如此之大目前還不完全清楚，但它確實會迅速衰變爲質量較輕的夸克。大型強子對撞機等粒子加速器能夠短暫地產生頂夸克和底夸克，這是科學家知道它們存在的唯一方式。

研究夸克的困難在於，在正常情況下，夸克並不是單獨存在的。強大的核力使它們總是束縛在一起，從而形成稱爲強子的複合粒子。兩個夸克組成的粒子稱爲介子，三個夸克組成的粒子稱爲重子，包括質子(兩個上夸克和一個下夸克)和中子(一個上夸克和兩個下夸克)。由四個夸克組成的粒子叫做四夸克，五個夸克組成的叫五夸克，其中一些粒子較穩定，但最終會衰變。

爲了符合量子物理理論，夸克的行爲受控於量子色動力學（quantum chromodynamics）模型，簡稱QCD。名稱中的“chromo”指的 “顏色”不是紅、綠或藍，而是夸克擁有的特定量子數的名詞。顏色在強力中的作用就像電荷在電磁力中的作用。一樣的顏色相互排斥，不同的顏色(即一種顏色和它的反色)相互吸引，從而形成穩定的夸克對。像其他量子數一樣，它也是守恆的。

宇宙大爆炸和夸克膠子等離子體

宇宙誕生於138億年前。

(圖片來源: 蓋帝圖像的ALFRED PASIEKA/科學圖片庫)

強子內部有一種叫做膠子的微小基本粒子，其攜帶的強力將夸克束縛在一起，膠子在夸克之間進行交換。分離單個夸克羣需要巨大的能量(強力的名字不是不無來由的)。這種原始能量只存在於宇宙大爆炸後的百億分之一秒到百萬分之一秒之間，此時溫度約爲3.6萬億華氏度(2萬億攝氏度)。在這個短暫的早期，初生宇宙中充滿了夸克膠子等離子體，一種由自由漂浮的夸克和膠子組成的液態物質。

隨着初生宇宙膨脹，溫度和壓力迅速下降，夸克隨之結合在一起形成強子，最終形成了現金宇宙中所有可見物質的基礎，如恆星、星系、行星和人。

儘管夸克膠子等離子體只存在於138億年前宇宙大爆炸之後的短暫時間裡，但科學家們通過將兩個重原子核(比如鉛原子核)以接近光速相互撞擊，成功地重新創造了它。該實驗首次達成於2000年歐洲核子研究中心的超級質子同步加速器。

因此，要想更好地瞭解大爆炸後宇宙的狀況，在粒子加速器實驗中研究夸克膠子等離子體是一個重要途徑。

夸克星

自然界中有一種被稱爲“夸克星”的假想物體，其內部條件極端，夸克在裡面無法結合。如果這是真實存在，那可能是一種極端中子星。中子星是宇宙中已知密度最高的物體，在重力作用下沒有坍縮形成黑洞。超新星是一種劇烈的爆炸，標誌着大質量恆星的毀滅，中子星誕生於超新星。當恆星的外層消散，在重力作用下恆星核心坍塌，那裡的壓力變得非常大，使帶正電荷的質子與帶負電荷的電子結合，電荷抵消形成中性中子。中子星直徑約有6英里(10公里)，一勺中子星物質相當於一座山的質量。

然而，從理論上講，垂死恆星的核心密度可能會變得更高。在這種情況下，中子會分裂，釋放夸克自由。這就是夸克星。

然而，就目前而言，夸克星仍是純粹的假設；儘管有少數候選中子星似乎與普通中子星的性質略有不同，比如直徑更小且質量更大，但天文學家最終還沒有發現一顆夸克星。

有一個候選中子星實際上不是在超新星中形成的，而是由兩顆中子星合併而成，產生了GW 190425的引力波事件，在2019年激光干涉空間天線（LISA）和處女座引力波探測器都捕捉到了該引力波。合併後的天體質量在3.11到3.54個太陽質量之間。對於中子星來說它的質量太大了(理論上中子星的質量不可能超過2.4個太陽質量)，但又不足以成爲黑洞(黑洞至少需要大約5個太陽質量)。它會是夸克星嗎?

另一種可能性是，中子星也許是混合天體，外層是普通中子星物質，內核深處是夸克物質。

BY:Keith Cooper

FY:張瓜瓜

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