奇异子

（一个质子和一个反质子在高能下碰撞，产生了一对几乎自由的夸克。）

1964年，美国物理学家默里²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——Quark组成的。它们具有分数电荷，是基本电量的2/3或-1/3倍，自旋

为1/2。遵循“渐近自由”原理。[1]

2名称来源

夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯²乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》的词句“向麦克老人三呼

夸克（ThreequarksforMusterMark）”。无非是指一个质子中有三个夸克。另外夸克在

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，也可能是出于他对鸟类的喜爱。

3定义

所有的中子都是由三个夸克组成的，反中子则是

由三个相应的反夸克组成的，比如质子，中子。

质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子是由

两个下夸克和一个上夸克组成。

盖尔曼原本想用鸭的叫声来命名夸克。开始时他

并不太确定自己这个新词的实际拼法，直到他在

詹姆斯²乔伊斯小说《芬尼根守灵夜》里面找到

“夸克”这个词：

向麦克老大三呼夸克！

——《芬尼根守灵夜》，詹姆斯²乔伊斯

盖尔曼在其著作《夸克与美洲豹》中，更详细地

述说了夸克这个词的由来：

在1963年，我把核子的基本构成部份命名为“夸克”（quark），我先有的是声音，而没有

拼法，所以当时也可以写成“郭克”（kwork）。不久之后，在我偶尔翻阅詹姆斯²乔伊斯

所著的《芬尼根守灵夜》时，我在“向麦克老大三呼夸克”这句中看到夸克这个词。由于“夸

克”（字面上意为海鸥的叫声）很明显是要跟“麦克”及其他这样的词押韵，所以我要找个

借口让它读起来像“郭克”。但是书中代表的是酒馆老板伊厄威克的梦，词源多是同时有好

几种。书中的词很多时候是酒馆点酒用的词。所以我认为或许“向麦克老大三呼夸克”源头

可能是“敬麦克老大三个夸脱”，那么我要它读“郭克”也不是完全没根据。再怎么样，字

句里的三跟自然中夸克的性质完全不谋而合。

茨威格则用“埃斯”（Ace）来称呼他所理论化的粒子，但是在夸克模型被广泛接纳时，盖

尔曼的用词就变得很有名。很多中国物理学家则称夸克为“层子”，在台湾亦曾翻译“亏

子”，但并不普遍使用。

夸克味的命名都是有原因的。上及下夸克被这样叫，是源于同位旋的上及下分量，而它们确

实各自带有这样一个量。奇夸克这个名字，是因为它们是在宇宙射线的奇异粒子中被发现的，

发现奇异粒子的时候还没有夸克理论；它们被视为“奇异”，是因为它们的寿命不寻常地长。

跟布约肯一起提出粲夸克的格拉肖说过：“我们把它叫粲夸克，是因为在构建它的过程中，

见到它为亚原子世界所带来的对称，我们被这种美迷住了，对成果感到很满意。”至于“顶”

和“底”这两个名字，哈拉里决定这样做，是因为“它们是上及下夸克逻辑上的伙伴”。在

过往，底及顶夸克有时会分别被叫作“美”及“真”夸克，但这两个名字已经很少人会用。

4性质

电荷

夸克的电荷值为分数——基本电荷的−1⁄3倍或+2⁄3倍，随味而定。上、粲及顶夸克（这三种

叫“上型夸克”）的电荷为+2⁄3，而下、奇及底夸克（这三种叫“下型夸克”）的则为−1⁄3。

反夸克与其所对应的夸克电荷相反；上型反夸克的电荷为−2⁄3，而下型反夸克的电荷则为

+1⁄3。由于强子的电荷，为组成它的夸克的电荷总和，所以所有强子的电荷均为整数：三个

夸克的组合（重子）、三个反夸克（反重子），或一个夸克配一个反夸克（介子），加起来

电荷值都是整数。例如，组成原子核的强子，中子和质子，其电荷分别为0及+1；中子由两

个下夸克和一个上夸克组成，而质子则由两个上夸克和一个下夸克组成。

自旋

自旋是基本粒子的一种内在特性，它的方向是一项重要的自由度。在视像化时，有时它会被

视为一沿着自己中轴转动的物体（所以名叫“自旋”），但是由于科学家们认为基本粒子应

是点粒子，所以上述这个看法有点儿误导。

自旋可以用矢量来代表，其长度可用约化普朗克常数ħ来量度。量度夸克时，在任何轴上量

度自旋的矢量分量，结果皆为+ħ/2或−ħ/2；因此夸克是一种自旋1⁄2粒子。沿某一轴（惯例

上为z轴）上的旋转分量，一般用上箭头↑来代表+1⁄2，下箭头↓来代表−1⁄2，然后在后加

上味的符号。例如，一自旋为+1⁄2的上夸克可被写成u↑。

弱相互作用

夸克只能通过弱相互作用，由一种味转变成另一种味，弱相互作用是粒子物理学的四种基本

相互作用之一。任何上型的夸克（上、粲及顶夸克），都可以通过吸收或释放一W玻色子，

而变成下型的夸克（下、奇及底夸克），反之亦然。这种变味机制正是导致β衰变这种放

射过程的原因，在β衰变中，一中子（n）“分裂”成一质子（p）、一电子（e）及一反电

子中微子（νe）（见右图）。在β衰变发生时，中子（udd）内的一下夸克在释放一虚W

玻色子后，随即衰变成一上夸克，于是中子就变成了质子（uud）。随后W玻色子衰变成一

电子及一反电子中微子。

n→p+e-+νe（β衰变，重子标记）

udd→uud+e-+νe（β衰变，夸克标记）

β衰变及其逆过程“逆β过程”在医学上都有常规性的应用，例如正电子发射计算机断层

扫描。这两个过程在高能实验中也有应用，例如中微子探测。

图为六种夸克间弱相互作用的强度。线的“深浅”

由CKM矩阵的元决定。

尽管所有夸克的变味过程都一样，每一种夸克都偏

向于变成跟自己同一代的另一夸克。所有味变的这

种相对趋势，都是由一个数学表来描述，叫卡比博-

小林-益川矩阵（CKM矩阵）。CKM矩阵内所有数值

的大约大小如下：，

其中Vij代表一夸克味i变成夸克味j（反之亦然）的可能性。

轻子（上图β衰变中在W玻色子右边的粒子）也有一个等效的弱相互作用矩阵，叫庞蒂科

夫-牧-中川-坂田矩阵（PMNS矩阵）。PMNS矩阵及CKM矩阵合起来能够描述所有味变，但两

者间的关系并不明朗。

强相互作用与色荷

夸克有一种叫“色荷”的性质。色荷共分三种，可任意标示为“蓝”、“绿”及“红”每一

种色荷都有其对应的反色荷——“反蓝”、“反绿”及“反红”。每一个夸克都带一种色，

而每一个反夸克则带一种反色。

掌管夸克间吸引及排斥的系统，是由三种色的各种不同组合所负责，叫强相互作用，它是由

一种叫胶子的规范玻色子所传递的；下文中有关于胶子更详细的讨论。描述强相互作用的理

论叫量子色动力学（QCD）。一个带某色荷的夸克，可以和一个带对应反色荷的反夸克，一

起生成一束缚系统；三个（反）色荷各异的（反）夸克，也就是三种色每种一个，同样也可

以束缚在一起。两个互相吸引的夸克会达至色中性：一夸克带色荷ξ，加上一个带色荷−ξ

的反夸克，结合后色荷为零（或“白”色），成为一个介子。跟基本光学的颜色叠加一样，

把三个色荷互不相同的夸克或三个这样的反夸克组合在一起，就会同样地得到“白”的色

荷，成为一个重子或反重子。

在现代粒子物理学中，联系粒子相互作用的，是一种叫规范对称的空间对称群（见规范场论）。

色荷SU(3)（一般简写成SU(3)c）是夸克色荷的规范对称，也是量子色动力学的定义对称。

物理学定律不受空间的方向（如x、y及z）所限，即使坐标轴旋转到一个新方向，定律依

然不变，量子色动力学的物理也一样，不受三维色空间的方向影响，色空间的三个方向分别

为蓝、红和绿。SU(3)c的色变与色空间的“旋转”相对应（数学上，色空间是复数空间）。

每一种夸克味，f，下面都有三种小分类fB、fG和fR，对应三种夸克色蓝、绿和红，形成

一个三重态：一股有三个分量的量子场，并且在变换时遵从SU(3)c的基本表示。这个时候

SU(3)c应是局部的，这个要求换句话说，就是容许变换随空间及时间而定，所以说这个局

部表示决定了强相互作用的性质，尤其是有八种载力用胶子这一点。

质量

在提及夸克质量时，需要用到两个词：一个是“净夸克质量”，也就是夸克本身的质量；另

一个是“组夸克质量”，也就是净夸克质量加上其周围胶子场的质量。这两个质量的数值一

般相差甚远。一个强子中的大部份的质量，都属于把夸克束缚起来的胶子，而不是夸克本身。

尽管胶子的内在质量为零，它们拥有能量——更准确地，应为量子色动力学束缚能（QCBE）

——就是它为强子提供了这么多的质量（见狭义相对论中的质量）。例如，一个质子的质量

约为938MeV/C2，其中三个价夸克大概只有11MeV/c2；其余大部份质量都可以归咎于胶子

的QCBE。

标准模型假定所有基本粒子的质量，都是来自希格斯机制，而这个机制跟未被发现的希格斯

玻色子有关系。顶夸克有着很大的质量，一个顶夸克大约跟一个金原子核一样重（~171

GeV/c2），而透过研究为什么顶夸克的质量那么大，物理学家希望能找到更多有关于夸克，

及其他基本粒子的质量来源。

性质列表

下表总结了六种夸克的关键性质。每种夸克味都有自己的一组味量子数（同位旋（I3）、粲

数（C）、奇异数（S）、顶数（T）及底数（B′）），它们代表着夸克系统及强子的一些特

性。因为重子由三个夸克组成，所以所有夸克的重子数（B）均为+1/3。反夸克的话，电荷

（Q）及其他味量子数（B、I3、C、S、T及B′）都跟夸克的差一个正负号。质量和总角动

量（J；相等于点粒子的自旋）不会因为反粒子而变号。

夸克按其特性分为三代，如下表所示：

夸克味的性质

名称符号质量（MeV/c）JBQI3CSTB反粒子符号

第一代

上u1.7to3.31⁄2+1⁄3+2⁄3+1⁄20000反上u

下d4.1to5.81⁄2+1⁄3−1⁄3−1⁄20000反下d

第二代

粲c1,270+70−901⁄2+1⁄3+2⁄30+1000反粲c

奇s101+29−211⁄2+1⁄3−1⁄300−100反奇s

第三代

顶t

172,000±900

±1,300

1⁄2+1⁄3+2⁄3000+10反顶t

底b4,190+180−601⁄2+1⁄3-1⁄30000−1反底b

J=总角动量、B=重子数、Q=电荷、I3=同位旋,C=粲数、S=奇异数、T=顶数及B′=底数。[2]

*像4,190+180−60这样的标记代表量测不确定度。以顶夸克为例，第一个不确定度是自然

中的随机，第二个是系统的。注：每一味夸克都具有红、绿及蓝三种色的版本，但对上表所

列的性质而言，三种版本都一样，故不列出。

5发现研究

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魅夸克

（又叫J粒子）

而获诺贝尔物理学奖。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，会产生顶夸克粒子。

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²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。

陆陆续续地，共有九个实验群组宣称发现了penta-quark的证据。但是在其它较高能的实验

组及其数据中，包括使用轻子对撞器如德国DESY的ZEUS实验，以及日本KEK的Belle

与美国SLAC的BaBar两大B介子工厂实验、以及使用强子对撞器的美国费米实验室中的

CDF与D∅实验，都没有观测到应该存在的证据。因此，所谓的五夸克粒子(penta-quark)

存在与否，还是一个极具争论性的话题。同时，春天八号也计划将会再提升其效能，获取更

大量的实验数据，来进行统计上的确认。[3]

6发现过程

机遇

1932年，安德森在宇宙线实验中观察到：高能光子穿过重原子核附近时可以转化为一

个电子和一个质量与电子相同但带有单位正电荷的粒子（左图），从而发

现了正电子。狄拉克对正电子的预言得到了实验的证实。

反粒子的存在是电子所特有的性质，还是所有的粒子都具有的普遍的

性质呢？如果所有的粒子都有相应的反粒子，首先检验的应该是是否存在

质子的反粒子、中子的反粒子。24年后的1956年，美国科学家张伯伦

（OwenChamberlain，1920-2006）（右图）等在加速器的实验中发现了反质子，即质量和质

子相同，自旋量子数也是1/2，带一个单位负电荷的粒子，接着又发现了反中子。

19世纪接近尾声的时候，玛丽²居里打开了原子的大门，证明原子不是物质的最小粒子。

很快科学家就发现了两种亚原子粒子：电子和质子。1932年，詹姆斯²查德威克发现了中

子，这次科学家们又认为发现了最小粒子。

20世纪30年代中期发明了粒子加速器，科学家们能够把中子打碎成质子，把质子打碎成为

更重的核子，观察碰撞到底能产生什么。20世纪50年代，唐纳德²格拉泽（DonaldGlar）

发明了“气泡室”，将亚原子粒子加速到接近光速，然后抛出这个充满氢气的低压气泡室。

这些粒子碰撞到质子（氢原子核）后，质子分裂为一群陌生的新粒子。这些粒子从碰撞点扩

散时，都会留下一个极其微小的气泡，暴露了它们的踪迹。科学家无法看到粒子本身，却可

以看到这些气泡的踪迹。

气泡室图像上这些细小的轨迹（每条轨迹表明一个此前未知的粒子的短暂存在）多种多样，

数量众多，让科学家既惊奇又困惑。他们甚至无法猜测这些亚原子粒子究竟是什么。

发现者

默里²盖尔曼1929年出生于曼哈顿，是个名副其实的神童。3岁时，他就能心算大数字的

乘法；7岁拼单词比赛赢了12岁的孩子；8岁时的智力抵得上大部分大学生。可是，在学校

里他感到无聊，坐立不安，还患有急性写作障碍。虽然完成论文和研究项目报告对他而言很

简单，他却很少能完成。尽管如此，他还是顺利地从耶鲁大学本科毕业，先后在麻省理工学

院、芝加哥大学（为费米）工作，在普林斯顿大学（为奥本海默）工作。。

推断假设

24岁时，他决定集中精力研究气泡室图像里的奇怪粒子。通过气泡室图像，科学家可以估

测每个粒子的大小、电荷、运动方向和速度，但是却无法确定它们的身份。到1958年，有

近100个名字被用来鉴别和描述这些探测到的新粒子

默里²盖尔曼认为，如果应用关于自然的几种基本概念，就可能会弄清楚这些粒子。他先假

定自然是简单、对称的。他还假定像所有其他自然界中的物质和力一样，这些亚原子粒子是

守恒的（即质量、能量和电荷在碰撞中没有丢失，而是保存了下来）。

用这些理论作指导，

到今天为止我们对物质的结构的认识

盖尔曼开始对质子分裂时的反应进行分类和简化处理。他创造了一种新的测量方法，称为

“奇异性（strangeness）”。这个词是他从量子物理学引入的。奇异性可以测量到每个粒

子的量子态。他还假设奇异性在每次反应中都被保存了下来。

如果是指基本粒子的性质的话那就是粒子的奇异数，奇异数S的值是根据奇异数守恒的要

求以及实验结果分析所赋予的。如果把已经确定的各种粒子奇异数S的值都乘一共同常数

值作为新定义的奇异数S的值，则上述奇异数守恒的要求仍然能够满足；如果把上面所给

出各粒子的S值再加一个强相互作用过程中守恒的相加性守恒量作为新定义的守恒量，上

述奇异数守恒的要求亦仍然能满足。为了避免这些不确定性带来的任意性，粒子物理学家实

际上采取了自然的约定，即以最初确定的几个奇异粒子的奇异数的值为标准来确定其他粒子

的奇异数的值。

建立模型

粒子物理的研究结果表明，构成物质世界最基本的粒子有12种，包括6种夸克(上、下、奇

异、粲、底、顶)，3种带电轻子(电子、缪子和陶子)

和3种中微子(电子中微子、缪中微子和陶中微子)。

20世纪30年代中期发明了粒子加速器，科学家们

能够把中子打碎成质子，把质子打碎成为更重的核子，

观察碰撞到底能产生什么。20世纪50年代，唐纳

德²格拉泽（DonaldGlar）发明了“气泡室”，将

亚原子粒子加速到接近光速，然后抛出这个充满氢气

的低压气泡室。这些粒子碰撞到质子（氢原子核）后，

质子分裂为一群陌生的新粒子。这些粒子从碰撞点扩

散时，都会留下一个极其微小的气泡，暴露了它们的

踪迹。科学家无法看到粒子本身，却可以看到这些气

泡的踪迹。

气泡室图像上这些细小的轨迹（每条轨迹表明一个此前未知的粒子的短暂存在）多种多样，

数量众多，让科学家既惊奇又困惑。他们甚至无法猜测这些亚原子粒子究竟是什么。

奇异数是描述粒子内部性质的一个相加性量子数，通常用S表示，只能取整数。为解释奇异

粒子的性质，1953年，美国物理学家盖尔曼、日本物理学家中野董夫、西岛和彦

（ima）各自独立提出了新的量子数——奇异数。第一个奇异粒子是1947年由罗彻

斯特（G．Rochester）和巴特勒（，1922-）发现的。随后在加速器中又陆续发现

了更多的奇异粒子。与普通粒子不同，奇异粒子协同产生，独立衰变，并且快产生，慢衰变。

粒子物理学规定普通粒子的奇异数是0，奇异粒子的奇异数由以下反应规定：

规定粒子的奇异数是+1，的奇异数是-1，然后由其它反应确定其余粒子的奇异数。

奇异数S=+1的奇异粒子有Κ0、Κ+等

奇异数S=-1的奇异粒子有Κ-、Λ0、Σ+、Σ-、Σ0等

奇异数S=-2的奇异粒子有Ξ0、Ξ-等

奇异数S=-3的奇异粒子有Ω-等。

在强相互作用和电磁相互作用中，奇异数S是严格守恒的，奇异粒子必须协同产生。而在弱

相互作用中，奇异数S可以不守恒，选择定则是ΔS=0,±1。奇异粒子的衰变是弱相互作用，

可以分别独立地衰变成几个普通粒子，所需的时间比较长。

奇异数还满足盖尔曼-西岛关系。

中子的反粒子。它是1956年发现的。它的磁矩对于其自旋是反号的。反中子与核子相碰可

湮没为π介子。

夸克结构：

中子（n）：由一个上夸克（u，带电量+2/3），两个下夸克（d，带电量-1/3）组成

反中子（nbar）:由一个反上夸克（ubar,带电量-2/3），两个反下夸克（dbar,带电量

+1/3）组成

在粒子物理学中，Ξ粒子是一类由一个较轻的第一代夸克和两个较重的夸克（可以是第二代

夸克或第三代夸克）组成的重子。这类粒子因其不稳定性也被称作“级联粒子”（cascade

particles）——它们能在极短的时间内通过一系列的衰变转化为较轻的稳定粒子。第一个Ξ

粒子于1964年于美国布克海文国家实验室被发现[1]。

2007年12月，美国费米实验室公布了在D0实验中Ξ−b粒子费米实验室碰撞探测器（CDF）

被发现。该粒子也被称作级联B粒子（cascadeB），它是第一个被发现的、由三个不同代的

夸克（一个下夸克、一个奇夸克及一个底夸克）组成的次原子粒子。关于Ξ−b的粒子质量，

D0合作组与CDF合作组公布的数据有所出入，分别为5.774±0.019GeV/c和5.7929±0.0030

GeV/c。粒子数据组（PDG）中提供的数据为平均值5.7924±0.0030GeV/c。

除有特别注明，Ξ粒子中非上/下夸克的夸克是粲，所以Ξ0b由上、粲、底夸克组成，而Ξ0bb

由一粒上夸克和两粒底夸克组成。

1928年，狄拉克将相对论引入量子力学，他建立的狄拉克方程预言：存在与电子具有严格

相同的质量，但是电荷符号相反的正电子。

1932年，安德森在宇宙线实验中观察到：高能光子穿过重原子核附近时可以转化为一

个电子和一个质量与电子相同但带有单位正电荷的粒子（左图），从而发

现了正电子。狄拉克对正电子的预言得到了实验的证实。

反粒子的存在是电子所特有的性质，还是所有的粒子都具有的普遍的

性质呢？如果所有的粒子都有相应的反粒子，首先检验的应该是是否存在

质子的反粒子、中子的反粒子。24年后的1956年，美国科学家张伯伦

（OwenChamberlain，1920-2006）（右图）等在加速器的实验中发现了反

质子，即质量和质子相同，自旋量子数也是1/2，带一个单位负电荷的粒

子，接着又发现了反中子。

1961年，盖尔曼在奇异数守恒定律的基础上将对称性

运用于基本粒子的分类，即SU（3）对称性。他和以色列

物理学家内曼（YuvalNeemann，1925-2006）各自独立地

提出了强作用对称性的理论——八重法

（eightfoldway），按照这一方法，把有

相近性质的强作用基本粒子分成一个个

的族，并认为每个族成员应有8个。八

重法很好地说明了强子的自旋、宇称、

电荷、奇异数以及质量等性质的规律性

（左图），可以把已知的全部基本粒子归类，并且还给未发现的粒子预留

了位置，未发现粒子的特性可以从对称的粒子特性推

出。

1964年，盖尔曼和兹韦格（GeorgeZweig，1937-）（右图）在强子分

类八重法的基础上分别提出了更复杂的夸克模型（相当于基本粒子的

“周期表”），他认为中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克

（quark）组成的（一些中国物理学家称其为“层子”）。夸克与所有已知

的亚原子粒子不同，它们带有分数电荷，例如：+2/3或-1/3（左图）。

夸克都是两两成对、或三三成群，不可能单独被观测到。它们之间的结合是靠交换胶子，这

就是著名的夸克模型。“

1964年，美国科学家格林伯格（OscarWallaceGreenberg）（左图左）引入了夸克的一种自

由度——“颜色”（color）的概念。这里的“颜色”并不是视觉感受到的颜色，而是一种新引入

的量子数的代名词，与电子带电荷相类似，夸克带颜色荷。这样，每味夸克就有三种颜色

分别是红、绿和蓝（左图右）。

夸克的种类由原来的6种扩展到18种，再加上与它们对应的18种反夸克（右图），自

然界一共有36种夸克。

盖尔曼发现自己可以建立起质子分裂或者合成的简单反应模式。但是有几个模式似乎并不遵

循守恒定律。之后他意识到如果质子和中子不是固态物质，而是由3个更小的粒子构成，那

么他就可以使所有的碰撞反应都遵循简单的守恒定律了。

重子数是粒子物理学中定义的一个量子数，常用B来表示。规定重子的重子数为+1，反重

子的重子数为-1，其他粒子如轻子、介子、规范玻色子的重子数为0。重子数是一个相加

性量子数，在粒子物理学中，反应前后各粒子的重子数之和等于反应之后各粒子的重子数之

和，这就是重子数守恒定律。

重子数是粒子物理学中定义的一个量子数，常用B来表示。规定重子的重子数为+1，反

重子的重子数为-1，其他粒子如轻子、介子、规范玻色子的重子数为0。

根据夸克禁闭，组成粒子的夸克的色荷总和必须为零（即白色）。正常强子实现色荷为白色

有三种方式：

某种颜色的夸克与有着对应反颜色的反夸克，组成一个介子，其重子数为0；

三种不同颜色的夸克组成一个重子，其重子数为1；

三种不同反颜色的反夸克组成一个反重子，其重子数为-1

由于重子数这一概念是在夸克模型之前就被公认，所以粒子物理学没有修改重子数的定义，

而是把夸克的重子数定义为1/3。重子数守恒实际上是夸克数守恒。

奇异强子是在强子基础上增加具有匹配颜色-反颜色的夸克对形成。如五夸克态由匹配的能

组成重子的三个夸克与匹配的能组成介子的一对夸克-反夸克组成，其重子数为1。四夸克

态由能组成介子的两对夸克-反夸克组成，其重子数为0。[1]

原理简介

反映自旋和宇称相同、质量相近而电荷数不同的几种粒子归属性质的量子数。

2详细内容

同位旋是粒子的性质之一。实验表明，核力具有电荷无关性，质子和质子、中子和中子及质

子和中子之间的核力是相同的，这说明就核力的性质而言，质子与中子之间没有区别，因此

把质子和中子看成同一种粒子的两种不同状态。有些粒子（强子）质量很接近，但电量不同，

每一组这样的粒子可以看做同一粒子处于不同的态。如质子、中子为两重态；π+、π0、π-

为多重态等。为描述强子的多重态，引入一个称为同位旋的量子数I。在强相互作用过程中，

I守衡；弱相互作用、电磁作用过程中，I不守衡。同一多重态的粒子同位旋相同。类比自

旋的概念引入抽象的同位旋空间，质子和中子是同位旋I相同，同位旋第3分量I3不同的

两种状态，由此可确定它们的同位旋I=1/2，质子的I3=1/2，中子的I3=－1/2，它们组成同

位旋二重态[1]，它们质量上的微小差异来自I3的不同，犹如自旋取向不同引起自旋-轨道耦

合的微小能量差异。同样Σ±、Σ0组成同位旋三重态，它们的同位旋I=1，同位旋第三分量

I3分别为±1和0。原子核的同位旋可由质子和中子的同位旋“合成”得到，强子的同位旋由组

成强子的夸克的同位旋“合成”得到。强相互作用下系统的同位旋和同位旋第三分量均守恒。

对于一组多重态的粒子数a，I=（a-1）/2。

目前对于同位旋的进一步认识是，强子的同位旋反映了组成强子的u夸克和d夸克之间的

对称性。强相互作用的同位旋转动不变性反映了强相互作用与夸克的味无关性的一个方面的

表现。强子的同位旋量子数I和I3可以由组成强子的u夸克和d夸克的同位旋“合成”得到。

同位旋是模仿自旋的概念提出来的。一种将自旋与“常见物体”类比的方法是，考虑一个绕固

定点转动的刚体杆，杆的一段连接在固定杆上。这种转动形成一个SO（3）群。将自旋的概

念应用于电子这样的粒子上，恰当的对称性描述是SU（2）群，它与SO(3)群只有细微的不

同。与一个自旋的陀螺要么顺时针转动要么逆时针转动类似，电子的自旋值也有限制，这些

可以从某些原子光谱的分裂中看出来。

Λ于1947年的一次宇宙射线相互作用中首先被发现。

证明

经过两年的努力，盖尔曼证明了这些更小的粒子肯定存在于质子和中子中。他将之命名为

“k-works”，后来缩写为“kworks”。之后不久，他在詹姆斯²乔伊斯（JamesJoyce）的

作品中读到一句“三声夸克（threequarks）”，于是将这种新粒子更名为夸克（quark）。

美国麻省理工学院(MIT)的杰罗姆²弗里德曼(JeromeFriedman)、享利²肯德尔(Henry

kendall)和斯坦福直线加速器中心(SLAC)的理查德²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，1952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(E²Rutherford)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。

盖尔曼(M²Gell—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(G²Zweig)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(C²Jarlskog)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(W²Panofsky)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(J²Biorken)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(L²Hand)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(L²Schiff)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(S²Adler)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．他是一个年轻人，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R²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

(C²Gllan)和格洛斯(D²Gross)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

费因曼对夸克的要求，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(F²Wilczek)

和鲍里泽尔(H²D²Politzer)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。

1967年温伯格和萨拉姆分别独立地得到了弱电统一的规范理论，而1970年为把夸克弱作用

引入该模型，格拉肖等人改进了由卡比伯所引入的在经典四费米弱作用中使用的方法，引入

了粲夸克,并在1974年被证实需要引入．1973年日本物理学家小林诚（MakotoKobayashi），

益川敏英（ToshihideMaskawa），为解释弱作用中时间反演的破坏,引入了第三代夸克,并

被实验证实,获得了2007年的诺贝尔物理学奖。

3奇异数的发现历史

1947年首先在宇宙线中发现了新型的粒子。50年代初期这种粒子也可在用加速器作的实验

中产生。这种粒子在π介子-核子或核子-核子碰撞过程中产生，行进了一段距离后又主要变

成π介子和核子。其主要特点一是产生截面很大而衰变寿命很长,即"产生快,衰变慢"；二是

协同产生，即两个或多个新型粒子在一次碰撞过程中同时产生。

随着实验资料的积累，人们逐渐认识到，新型粒子的这两个特性都是与一个新量子数──奇

异数──相联系的。普通的强子、核子和π介子,其奇异数为零；新型粒子则是具有非零奇异

数的强子，称为奇异粒子。由普通强子碰撞产生奇异粒子的过程是强相互作用过程，奇异数

守恒，因而产生速度快、截面大，而且必须几个奇异粒子同时产生才能保持总的奇异数为零。

奇异粒子的衰变过程是弱相互作用过程，奇异数不守恒，因此单个的奇异粒子可以变成核子

和π介子的体系，只是衰变速度慢，寿命长。人们还从实验资料中归纳出一条唯象规则：

一次弱相互作用过程最多只能改变奇异数一个单位。因此奇异数为两个单位的奇异粒子要经

过两次弱衰变才能变成普通强子，这就满意地解释了Ξ超子的"级联衰变"性质。

名词解释

弱相互作用力粒子

弱相互作用力也叫弱作用力。是自然界中四种作用力之一。

2内容介绍

弱力是如何表现出来的

中子的β衰变图

弱力属于微观力。在微观粒子世界中，粒子之间的相互作用是通过碰撞而实现的。由于作用

强度的不同

弱相互作用[1]

表现为弱、电、强作用力。

对于弱相互作用力来说，表现为中子的β衰变。即：

中子衰变成质子、电子与中微子或反电子中微子。

在费曼图中表现为：中子与电子中微子发生碰撞，在

碰撞过程中发生了力的作用，这种力就是弱相互作用

力。碰撞后的中子改变方向，其固有能量与动量都发

生改变，变成了质子（准确的说是：碰撞后中子改变

运动方向，与观测时空成角，被观测成了质子）。同样，

电子中微子也改变方向，固有能量与动量也发生改变，

变成了电子（准确的来说是：碰撞后电子中微子改变

运动方向，与观测时空成角，被观测成了电子）。

粒子之间是如何通过弱力作用的

弱相互作用力粒子

参与碰撞的粒子称为费米子，其自旋为半整数。由于

两粒子间的碰撞是间隔一定距离的，这种碰撞并不是

超距作用，而是要通过媒介粒子来传递，这个起传递

作用的粒子就象是一个“媒婆”，被称为玻色子，其自

旋为整数。传递力的作用的粒子以虚态存在,虚态，

即不可见态。对于弱相互作用来说该粒子为W、Z光

子（光子的运动速度为光速，由于其运动速度的下降，

被观测成了低速运动的W、Z粒子）。