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物理學 1964

重子與介子的一個圖式模型

默里·蓋爾曼

數百種「基本」粒子,其實都由三種夸克拼成。

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In depth · the introduction

你身邊的一切都由原子搭成——可每個原子的核心,又由更小的東西搭成,而且總是三個一組地出現。

核心想法

在 1950 年代,物理學家不斷發現新的次原子粒子,直到牠們多達數百種——多得不可能個個都「基本」。1964 年,默里·蓋爾曼找到了隱藏的秩序:牠們幾乎全都由寥寥幾種微小的積木拼成,他給這些積木取名夸克。

質子是三個夸克;中子也是——只是配方不同。更輕的粒子,叫介子,是一個夸克配上牠的鏡像孿生兄弟——反夸克。夸克分成幾種「味」——蓋爾曼最初的三種是「上」「下」「奇異」——把牠們以不同方式組合,就拼出了整群粒子,正如幾種磚砌出每一面牆。

它是如何誕生的

蓋爾曼早已把粒子的混亂整理過一回,按一套他妙趣橫生地借佛家「八正道」命名的方案,把粒子歸成一個個齊整的家族。有一個家族缺了一角——少了一個粒子——而當它在 1964 年於布魯克黑文被發現,恰恰落在圖樣所指之處,這些家族便顯然意味著某種真實的東西。夸克,正是他對「為什麼」的回答。

他並不孤單。同一年在 CERN,一位名叫喬治·茨威格的年輕物理學家有了完全相同的想法,把這些部件稱作「A 牌(aces)」——只是他的論文始終未被期刊接受,多年裡得到的功勞少得多。蓋爾曼則從詹姆斯·喬伊斯的小說《芬尼根的守靈夜》裡一句「為馬斯特·馬克來三個夸克」中,取來了「夸克」這個古怪的詞。

它為何重要

夸克這一構想,把一座令人眼花繚亂的動物園,變成了一套簡單的體系——而它幾乎怪得令人難以置信,因為夸克帶分數電荷,是電子電荷的三分之一、三分之二,是從未在單獨粒子身上見過的東西。蓋爾曼對牠們是否真實如此沒把握,以至於半帶挑釁地請實驗去證明牠們不存在。結果,牠們成了一切物質的基岩:是我們所曾找到的、最深一層的「東西」。

一個可以想像的畫面

把數百種粒子想成一個個單詞,把夸克想成一套小小的字母表。你不必為每個單詞都造一個符號——幾個字母,排成不同的順序,就能拼出全部。三個夸克「字母」拼出每一個重子;一個夸克加一個反夸克,拼出每一個介子。而正如一篇真正的文章裡,字母從不散落在紙面各處,夸克也從不單獨現身——牠們永遠只鎖在一個粒子內部一同出現。

可互動的夸克搭建器:選擇一個重子(三個夸克)或一個介子(一個夸克加一個反夸克),再點擊每個夸克圓盤,讓它的味在上、下、奇異之間循環。元件把這些組成部分畫在一個虛線「口袋」裡,給每個標上分數電荷,並在組合為常見粒子時命名——質子 uud、中子 udd、Ω⁻ sss、π⁺ ud̄——再把電荷相加成一個整數;專家面板還讀出重子數與奇異數。

它的位置

夸克模型生長自對原子長達數十年的探問——從本館中的湯姆森的電子、拉塞福的原子核,到本世紀中葉那一連串令人眼花的粒子發現。它向前延伸,連到今天的標準模型,也連到同樣在本館的希格斯玻色子——正是後者給了這些夸克質量。組成你的那個質子,歸根結柢,是蓋爾曼的三個夸克被束縛在一起——而且束得如此之緊,從沒有人能把其中單獨一個揪出來。

The original document
Original source text
M. Gell-Mann · Physics Letters 8, no. 3 (1 February 1964): 214–215 · California Institute of Technology, Pasadena
The note opens from the "Eightfold Way": the baryons and mesons fall into the multiplets of the symmetry group SU(3). Gell-Mann asks what fundamental objects would generate exactly those multiplets — and answers with a single triplet.
We then refer to the members u(2/3), d(−1/3) and s(−1/3) of the triplet as "quarks".
[Editorial map of the construction] Baryons are built as three quarks (qqq) and mesons as a quark–antiquark pair (qq̄); the note also remarks on more elaborate combinations such as (qqqqq̄). The fractional charges combine to the integer charges observed: proton = uud (+1), neutron = udd (0), the triply-strange Ω⁻ = sss (−1).
[ … ]
On whether the quarks are real
A search for stable quarks of charge −1/3 or +2/3 and/or stable di-quarks of charge −2/3 or +1/3 or +4/3 at the highest energy accelerators would help to reassure us of the non-existence of real quarks.
[Editorial note] No free quark was ever found. Colour confinement — quantum chromodynamics, 1970s — explains why the fractional charges are real yet never isolated. The strange quark's heavier partners, charm, bottom and top, completed the six flavours by 1995.
California Institute of Technology, Pasadena · 1964