八、夸克和今日的基本粒子

夸克模型 原子不再是基本粒子，原子核也不是基本粒子，介子和重子是否也由更为基本的粒子组成的呢？1964 年，美国物理学家盖尔曼和以色列物理学家兹韦格分别提出了夸克模型，中国科学家也在 1965 年提出了类似的概念，在基本粒子物理上取得了重大的进展。

按照夸克理论，一切强子(参与强相互作用的粒子)都是由夸克组成的。初期提出的夸克有三种，分别称为上夸克 u，下夸克 d 和奇夸克 s。它们的自旋都是 1/2，属于费米子。夸克的重要特征之一是带有分数电荷。以电子电荷为单位，u 的电荷为 2/3，d 的电荷为－1/3，s 的电荷也是－1/3。此外，s 的奇异数为－1。对于重子，有重子数作为标志，上节所述的重子的重子数为 1，反重子的重子数为－1。夸克的重子数为 1/3。对于每一种夸克，都存在相应的反夸克。反夸克的质量、自旋同于夸克，而电荷、奇异数和重子数的数值相同，符号相反。

夸克之间存在着强相互作用。靠这种相互作用，每一个介子由一个夸克和一个反夸克组成；每一个重子由三个夸克组成，每一个反重子由三个反夸克组成。比如，π^{+介子是由 u 夸克和反下夸克d 组成的。质子是由 u、u 和 d 三个夸克组成的；Λ0} 超子是由 u、d 和 s 三个夸克组成的，余此类推。图 11-9 为 P、Λ⁰ 和π^{+三个强子的结构示意图。}

夸克模型的扩充 夸克的味 当时已经发现的强子都可以成功地由3 种夸克组建起来。还预言了新的介子或重子。但是，进一步的实验和理

论又都表明 3 种夸克理论的局限性，似乎夸克不止有 3 种。美国物理学家格拉肖从理论上预言存在第四种夸克。称这第四种夸克为灿夸克 c，它的电荷为 2/3，带一种新的量子数，称为灿数，用 c 来表示，灿夸克的灿数 c

＝1.1973 年，美国物理学家丁肇中和里希特分别独立地发现了自旋为 1 的一种新介子，他们分别命名这种粒子为 J 和ψ粒子，它是自旋为 1 的介子， 是由一个灿夸克和一个反灿夸克组成的。这样，不计反粒子，夸克的家族变成了 4 个。

对称性理论进一步预言，还应存在另外两种夸克，被分别称为底夸克b 和顶夸克 t。这样，夸克家族的成员变成了 6 个。6 种夸克不同，称为它们的“味”不同，用上、下、奇、灿、底和顶加以区分。“味”只是一种比喻，和生活中的味感是两回事。1977 年，美国物理学家富德曼发现了 r 介子，被证明是由一个底夸克和一个反底夸克组成的。最近报导，顶夸克也已被证实。

夸克的色 为了符合泡利不相容原理，物理学家还发现了夸克的一种更为深刻的性质：每种夸克都具有(颜)色，可以用红、黄、兰(或红、绿、兰)三种加以区分。这只不过是借用光的颜色名字，夸克的色与光波的色完全是两回事。就像粒子带电称为电荷一样，夸克带色，也可以称为色荷。正是色荷间的相互作用，才使强子中的夸克互相吸引而束缚在一起。三种不同色的夸克组成不带色的重子，好像三原色组成白色一样。同样，夸克和反色夸克的色互补，它们组成的介子也不带色。这就是为什么强子不带色的原因。

基本粒子：夸克和轻子 在当今看来，强子的基础是夸克，夸克是基本粒子。此外，基本粒子族还存在轻子一类。最早发现了电子和电中微

子；后来发现了μ子和μ中微子；70 年代，又发现了τ子和τ中微子。τ 子的质量比核子质量还大，它不能由轻重来区分它们了。虽然τ子的质量大，但从其性质上看，仍属于轻子一类。这样，轻子也分 6 种，类似于夸克的味。时至今日，实验研究还没有发现轻子的内部结构。也就是说，这6 种轻子也属于基本粒子。