夸克

蓋爾曼原本想用鴨的叫聲來命名夸克[43]。開始時他並不太確定自己這個新詞的實際拼法，直到他在詹姆斯·喬伊斯小說《芬尼根的守灵夜》裏面找到“夸克”這個詞：

蓋爾曼在其著作《夸克與美洲豹》中，更詳細地述說了夸克這個詞的由來[46]：

茨威格則用“埃斯”（Ace）來稱呼他所理論化的粒子，但是在夸克模型被廣泛接納時，蓋爾曼的用詞就變得很有名[47]。很多中国物理学家则称夸克为“层子”，在台灣亦曾翻譯「虧子」，但並不普遍使用。

夸克味的命名都是有原因的。上及下夸克被這樣叫，是源於同位旋的上及下分量，而它們確實各自帶有這樣一個量[48]。奇夸克這個名字，是因為它們是在宇宙射線的奇異粒子中被發現的，發現奇異粒子的時候還沒有夸克理論；它們被視為“奇異”，是因為它們的壽命不尋常地長[49]。跟布約肯一起提出魅夸克的格拉肖說過：“我們把它叫魅夸克，是因為在構建它的過程中，見到它為亞原子世界所帶來的對稱，我們被這種美迷住了，對成果感到很滿意。”[50]至於“頂”和“底”這兩個名字，哈拉里決定這樣做，是因為“它們是上及下夸克邏輯上的伙伴”[36][37][49]。在過往，底及頂夸克有時會分別被叫作“美”及“真”夸克，但這兩個名字現在已經很少人會用[51]^:133。

夸克的電荷值為分數——基本電荷的−¹⁄₃倍或+²⁄₃倍，隨味而定。上、及頂夸克（這三種叫“上型夸克”）的電荷為+²⁄₃，而下、奇及底夸克（這三種叫“下型夸克”）的則為−¹⁄₃。反夸克與其所對應的夸克電荷相反；上型反夸克的電荷為−²⁄₃，而下型反夸克的電荷則為+¹⁄₃。由於強子的電荷，為組成它的夸克的電荷總和，所以所有強子的電荷均為整數：三個夸克的組合（重子）、三個反夸克（反重子），或一個夸克配一個反夸克（介子），加起來電荷值都是整數[52]。例如，組成原子核的強子，中子和質子，其電荷分別為0及+1；中子由兩個下夸克和一個上夸克組成，而質子則由兩個上夸克和一個下夸克組成[14]。

自旋是基本粒子的一種內在特性，它的方向是一項重要的自由度。在視像化時，有時它會被視為一沿着自己中軸轉動的物體（所以名叫“自旋”）。

自旋可以用向量來代表，其長度可用約化普朗克常數ħ來量度。量度夸克時，在任何軸上量度自旋的向量分量，結果皆為+ħ/2或−ħ/2；因此夸克是一種自旋¹⁄₂粒子[51]^:80–90。沿某一軸（慣例上為z軸）上的旋轉分量，一般用上箭頭↑來代表+¹⁄₂，下箭頭↓來代表−¹⁄₂，然後在後加上味的符號。例如，一自旋為+¹⁄₂的上夸克可被寫成u↑[53]。

圖為β衰變的費曼圖，時間箭頭向上。CKM矩陣（詳見下文）包含了β及其他夸克衰變的發生概率。

夸克只能通過弱相互作用，由一種味轉變成另一種味，弱相互作用是粒子物理學的四種基本相互作用之一。任何上型的夸克（上、及頂夸克），都可以通過吸收或釋放一W玻色子，而變成下型的夸克（下、奇及底夸克），反之亦然。這種變味機制正是導致β衰變這種放射過程的原因，在β衰變中，一中子（
n
）“分裂”成一質子（
p
）、一電子（
e−
）及一反電中微子（
ν
e）（見右圖）。在β衰變發生時，中子（
u

d

d
）內的一下夸克在釋放一虛
W−
玻色子後，隨即衰變成一上夸克，於是中子就變成了質子（
u

u

d
）。隨後
W−
玻色子衰變成一電子及一反電中微子[31]^:307ff。

β衰變及其逆過程“逆β過程”在醫學上都有常規性的應用，例如正電子發射計算機斷層掃描。這兩個過程在高能實驗中也有應用，例如中微子探測。

圖為六種夸克間弱相互作用的強度。線的“深淺”由CKM矩陣的元決定。

儘管所有夸克的變味過程都一樣，每一種夸克都偏向於變成跟自己同一代的另一夸克。所有味變的這種相對趨勢，都是由一個數學表來描述，叫卡比博-小林-益川矩陣（CKM矩陣）。CKM矩陣內所有數值的大約大小如下[54]：

${\displaystyle {\begin{bmatrix}|V_{\mathrm {ud} }|&|V_{\mathrm {us} }|&|V_{\mathrm {ub} }|\\|V_{\mathrm {cd} }|&|V_{\mathrm {cs} }|&|V_{\mathrm {cb} }|\\|V_{\mathrm {td} }|&|V_{\mathrm {ts} }|&|V_{\mathrm {tb} }|\end{bmatrix}}\approx {\begin{bmatrix}0.974&0.225&0.003\\0.225&0.973&0.041\\0.009&0.040&0.999\end{bmatrix}}}$，

其中V_ij 代表一夸克味i 變成夸克味j（反之亦然）的可能性[註 4]。

輕子（上圖β衰變中在W玻色子右邊的粒子）也有一個等效的弱相互作用矩陣，叫龐蒂科夫-牧-中川-坂田矩陣（PMNS矩陣）[55]。PMNS矩陣及CKM矩陣合起來能夠描述所有味變，但兩者間的關係並不明朗[56]。

夸克有一種叫“色荷”的性質。色荷共分三種，可任意標示為“藍”、“綠”及“紅”[註 5]每一種色荷都有其對應的反色荷——“反藍”、“反綠”及“反紅”。每一個夸克都帶一種色，而每一個反夸克則帶一種反色。[57]

掌管夸克間吸引及排斥的系統，是由三種色的各種不同組合所負責，叫強相互作用，它是由一種叫膠子的規範玻色子所傳遞的；下文中有關於膠子更詳細的討論。描述強相互作用的理論叫量子色動力學（QCD）。一個帶某色荷的夸克，可以和一個帶對應反色荷的反夸克，一起生成一束縛系統；三個（反）色荷各異的（反）夸克，也就是三種色每種一個，同樣也可以束縛在一起。兩個互相吸引的夸克會達至色中性：一夸克帶色荷ξ，加上一個帶色荷−ξ的反夸克，結合後色荷為零（或“白”色），成為一個介子。跟基本光學的顏色疊加一樣，把三個色荷互不相同的夸克或三個這樣的反夸克組合在一起，就會同樣地得到“白”的色荷，成為一個重子或反重子[58]。

在現代粒子物理學中，聯繫粒子相互作用的，是一種叫規範對稱的空間對稱群（見規範場論）。色荷SU(3)（一般簡寫成SU(3)_c）是夸克色荷的規範對稱，也是量子色動力學的定義對稱[32]^{:part III}}。物理學定律不受空間的方向（如x、y及z）所限，即使座標軸旋轉到一個新方向，定律依然不變，量子色動力學的物理也一樣，不受三維色空間的方向影響，色空間的三個方向分別為藍、紅和綠。SU(3)_c的色變與色空間的“旋轉”相對應（數學上，色空間是複數空間）。每一種夸克味，f，下面都有三種小分類f_B、f_G和f_R，對應三種夸克色藍、綠和紅[59]，形成一個三重態：一股有三個分量的量子場，並且在變換時遵從SU(3)_c的基本表示[60]。這個時候SU(3)_c應是局部的，這個要求換句話說，就是容許變換隨空間及時間而定，所以說這個局部表示決定了強相互作用的性質，尤其是有八種載力用膠子這一點[32]^{:part III}[61]。

在提及夸克質量時，需要用到兩個詞：一個是“淨夸克質量”，也就是夸克本身的質量；另一個是“組夸克質量”，也就是淨夸克質量加上其周圍膠子場的質量[62]。這兩個質量的數值一般相差甚遠。一個強子中的大部份的質量，都屬於把夸克束縛起來的膠子，而不是夸克本身。儘管膠子的內在質量為零，它們擁有能量——更準確地，應為量子色動力學束縛能（QCBE）——就是它為強子提供了這麼多的質量（見狹義相對論中的質量）。例如，一個質子的質量約為938 MeV/c²，其中三個價夸克大概只有11 MeV/c²；其餘大部份質量都可以歸咎於膠子的QCBE[63][64]。

標準模型假定所有基本粒子的質量，都是來自希格斯機制，而這個機制跟希格斯玻色子有關係。頂夸克有着很大的質量，一個頂夸克大約跟一個金原子核一樣重（~171 GeV/c²）[63][65]，而透過研究為甚麼頂夸克的質量那麼大，物理學家希望能找到更多有關於夸克，及其他基本粒子的質量來源[66]。

下表總結了六種夸克的關鍵性質。每種夸克味都有自己的一組味量子數（同位旋（I₃）、魅數（C）、奇異數（S）、頂數（T）及底數（B′）），它們代表着夸克系統及強子的一些特性。因為重子由三個夸克組成，所以所有夸克的重子數（B）均為+¹⁄₃。反夸克的話，電荷（Q）及其他味量子數（B、I₃、C、S、T及B′）都跟夸克的差一個正負號。質量和總角動量（J；相等於點粒子的自旋）不會因為反粒子而變號。

夸克按其特性分为三代，如下表所示：

註：每一味夸克都具有紅、綠及藍三種色的版本，但對上表所列的性質而言，三種版本都一樣，故不列出。

除影響量子數的價夸克（(
q
v）之外，強子也含有虛夸克－反夸克對（
q

q
），這些對粒子叫“海夸克”（
q
s）。當強子色場的膠子分裂時，就會產生海夸克；以上過程的逆過程也會發生，當兩個海夸克湮滅時，會產生一個膠子。於是膠子就會持續地分裂與生成，形成所謂的“海”[72]。海夸克比價夸克不穩定得多，它們一般會在強子內部互相湮滅。儘管如此，海夸克在某些情況下還是會強子化，形成重子或介子類的粒子[73]。

-{zh-hans:

夸克物质的性质描述相图。图中准确的细节，仍是进行中的研究课题[74][75]。

;zh-hk:

夸克物質的性質描述相圖。圖中準確的細節，仍是進行中的研究課題[74][75]。

;zh-tw:

夸克物質的性質描述相圖。圖中準確的細節，仍是進行中的研究課題[74][75]。}-

在足夠極端的條件下，夸克可能會脫離禁閉，成為自由粒子。在漸近自由的演變下，高溫時的強相互作用變得較弱。最後，色禁閉會失效，形成一股超熱電漿體，由自由移動的夸克與膠子組成。這種物質的理論相叫夸克－膠子漿[76]。需要達到這個相的確切條件，現時仍是未知，但這方面一直都有不少的推測及實驗。溫度需求的近期估計為7012190000000000000♠(1.90±0.02)×10¹² 開爾文[77]。雖然夸克及膠子的完全自由態從未被實現（儘管歐洲核子研究組織在1980年代至90年代間嘗試過許多次），但是在相對論性重離子對撞機的近期實驗中，有證據指出像液體的夸克物質，能展示出“近乎完美”的流體運動[78]。

夸克－膠子漿的特點是，相對於上及下夸克對的數量，重夸克對的數量大幅提昇。宇宙學家們相信，在大霹靂後10⁻⁶秒之前（夸克時期），宇宙裏充滿着這種夸克－膠子漿，因為當時的溫度實在太高，重子會不穩定[79]。

當重子密度足夠高時，且溫度相對地低——大概可以跟中子星相比的條件——根據理論預測，夸克物質會退化成一弱作用夸克的費米液體。這種液體的特點是，它是由帶色夸克的庫珀對凝聚而成的，因此會對局部SU(3)_c對稱性造成破缺。由於庫珀對含有色荷，所以這樣的一種夸克物質相，叫色超導體，此時色荷能夠在無色阻的情況下通過[80]。