重子与介子的一个图式模型
数百种「基本」粒子,其实都由三种夸克拼成。
你身边的一切都由原子搭成——可每个原子的核心,又由更小的东西搭成,而且总是三个一组地出现。
核心想法
在 1950 年代,物理学家不断发现新的亚原子粒子,直到它们多达数百种——多得不可能个个都「基本」。1964 年,默里·盖尔曼找到了隐藏的秩序:它们几乎全都由寥寥几种微小的积木拼成,他给这些积木取名夸克。
质子是三个夸克;中子也是——只是配方不同。更轻的粒子,叫介子,是一个夸克配上它的镜像孪生兄弟——反夸克。夸克分成几种「味」——盖尔曼最初的三种是「上」「下」「奇异」——把它们以不同方式组合,就拼出了整群粒子,正如几种砖砌出每一面墙。
它是如何诞生的
盖尔曼早已把粒子的混乱整理过一回,按一套他妙趣横生地借佛家「八正道」命名的方案,把粒子归成一个个齐整的家族。有一个家族缺了一角——少了一个粒子——而当它在 1964 年于布鲁克黑文被发现,恰恰落在图样所指之处,这些家族便显然意味着某种真实的东西。夸克,正是他对「为什么」的回答。
他并不孤单。同一年在 CERN,一位名叫乔治·茨威格的年轻物理学家有了完全相同的想法,把这些部件称作「A 牌(aces)」——只是他的论文始终未被期刊接受,多年里得到的功劳少得多。盖尔曼则从詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根的守灵夜》里一句「为马斯特·马克来三个夸克」中,取来了「夸克」这个古怪的词。
它为何重要
夸克这一构想,把一座令人眼花缭乱的动物园,变成了一套简单的体系——而它几乎怪得令人难以置信,因为夸克带分数电荷,是电子电荷的三分之一、三分之二,是从未在单独粒子身上见过的东西。盖尔曼对它们是否真实如此没把握,以至于半带挑衅地请实验去证明它们不存在。结果,它们成了一切物质的基岩:是我们所曾找到的、最深一层的「东西」。
一个可以想象的画面
把数百种粒子想成一个个单词,把夸克想成一套小小的字母表。你不必为每个单词都造一个符号——几个字母,排成不同的顺序,就能拼出全部。三个夸克「字母」拼出每一个重子;一个夸克加一个反夸克,拼出每一个介子。而正如一篇真正的文章里,字母从不散落在纸面各处,夸克也从不单独现身——它们永远只锁在一个粒子内部一同出现。
它的位置
夸克模型生长自对原子长达数十年的探问——从本馆中的汤姆孙的电子、卢瑟福的原子核,到本世纪中叶那一连串令人眼花的粒子发现。它向前延伸,连到今天的标准模型,也连到同样在本馆的希格斯玻色子——正是后者给了这些夸克质量。组成你的那个质子,归根结底,是盖尔曼的三个夸克被束缚在一起——而且束得如此之紧,从没有人能把其中单独一个揪出来。
We then refer to the members u(2/3), d(−1/3) and s(−1/3) of the triplet as "quarks".
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.