神奇的夸克：构成物质基本单元 小到令人难以置信

质子和中子是构成原子核的粒子，看起来似乎已经足够微小。但科学家表示，这些亚原子粒子其实是由更小的粒子组成，他们将这些粒子称为夸克。

“我认为最简单的说法是，夸克是物质的基本组成部分，构成了我们周围的一切，”理论物理学家杰弗里·韦斯特解释道。韦斯特在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室建立了高能物理研究小组，现在是圣塔菲研究所的杰出教授。

与电子和其他轻子一样，夸克似乎不能再继续分割为更小的结构。夸克是如此之小，以至于关于其大小的描述听起来都令人难以置信。伦敦大学学院物理学教授乔恩·巴特沃斯解释道，夸克的半径大约是质子半径的2000倍，而质子的半径比一粒沙子小2.4万亿倍。

1964年首次提出

最早在1964年，加州理工学院的理论物理学家默里·盖尔曼（Murray Gell-Mann）首次提出了夸克模型。他是发展粒子物理学标准模型的关键人物之一，也是1969年诺贝尔物理学奖得主。盖尔曼指出，要想解释质子和中子的性质，就必须假定它们由更小的粒子组成。与此同时，加州理工学院的另一位物理学家乔治·茨威格（George Zweig）也独立地提出了这个想法。

从1967年到1973年，在斯坦福直线加速器中心（现称为SLAC国家加速器实验室）进行的实验证实了夸克的存在。正如韦斯特所解释的，夸克的一个奇怪之处在于，它们可以被观察到，但不能被分离。“一个细微的区别在于，”他说，“它们和电子一样都是基本粒子，但对于电子，我们可以观察并分离它们。你可以指出某个电子的方向。对于夸克，你不可能从原子核中取出一个放到桌子上，对它进行检验。”

利用庞大的粒子加速器，科学家可以加速电子，并利用它们来探测原子核内部的秘密。如果电子撞击到足够深的地方，就会使夸克脱离，科学家就可以用非常精密的探测器来测量夸克。“我们重建了目标中组成质子和中子的基本单元，”韦斯特说。“你可以看到这些小点，我们把它们称为夸克。”

夸克有六种类型

与质子相比，夸克只带有部分电荷。根据质量，夸克可以分为六种类型，即六种“味”，分别是上、下、粲、奇、底和顶。它们还有一种名为“色荷”的性质，用来描述强相互作用如何把它们结合在一起。色荷由胶子携带，胶子也是一种基本粒子，负责在两个夸克之间传递强相互作用，就像光子负责在两个带电粒子之间传递电磁力一样。

美国堪萨斯大学的一个物理学研究小组计划使用大型强子对撞机（LHC）上的一个设备来研究夸克和胶子之间的强相互作用。大型强子对撞机是世界上最强大的粒子加速器，位于法国和瑞士之间一条27公里长的隧道内。

“我们的想法是更好地了解质子和重离子——比如铅——的结构，并研究一种叫做‘饱和（胶子状态）’的新现象，”这项研究的领导者、堪萨斯大学物理学教授克里斯托夫·罗永（Christophe Royon）解释道，“当两个质子或两个离子以极高的能量碰撞时，我们可以很灵敏地探测到它们的子结构——夸克和胶子，从而探测到某些胶子密度变得非常大的区域。”

“我们可以类比纽约高峰时段的地铁，此时地铁完全挤满了，”克里斯托夫补充道，“在这种情况下，胶子的行为不是单一的，而是可以表现出集体行为，就像拥挤的地铁一样，如果有人摔倒了，每个人都会感觉到，因为人们离得很近。在某种程度上，质子或重离子可以表现得像一个固体，像一块玻璃，这种状态称为‘色玻璃凝聚态’。这是我们希望在大型强子对撞机上看到的，也希望在美国未来的电子-离子对撞机上能看到。”

如果能找到这种稠密胶子物质存在的证据，或许将回答关于夸克最大的一个未解问题。“这是物质的一种新状态，”克里斯托夫说，“相对论性重离子对撞机（RHIC）或大型强子对撞机已经提供了一些暗示，但一切都还不确定。这将是一个重要的发现，大型强子对撞机和电子-离子对撞机都是观察这一现象的理想设备。”科学家还想解答的另一个重要问题是，是否有比夸克更小的东西？“是否还存在另一个层次？”韦斯特说，“我们不知道答案。”