89 最小的粒子：夸克

原子核由质子和中子构成。质子和中子的质量相当接近，质子带正电，中子则不带电，呈电中性。它们质量接近，性质却不相同，应该有内部结构的差异。质子和中子又由什么构成呢？答案是夸克。

质子和中子是由不同夸克构成的，但夸克的发现并非来自实验室，而是由被称为“粒子物理帝王”的美国物理学家盖尔曼通过理论预言的。夸克理论的提出，其过程甚是有趣。它的基本思想其实并不艰深，跟小学奥数里经常会碰到的鸡兔同笼问题类似。20世纪中叶，科学家对于宇宙射线的研究已较为先进。除了质子和中子以外，在实验室和宇宙射线里还发现了各种各样特殊的粒子，譬如Σ粒子、K粒子、Δ粒子，这些粒子有的带正电，有的不带电，有的还带两个正电，它们的性质跟中子和质子都不一样，但质量与质子和中子的质量在一个数量级范围之内。这样的粒子发现了10种之多，它们都被认为是基本粒子。这就有些自相矛盾了，都有10种了，如何还能称之为基本呢？这些粒子的质量在基本粒子中算是比较重的，所以被称为重子（Baryon）。除此之外，还有质量较轻一些，但又比电子重很多的基本粒子，叫介子，这种介子一共发现了8种。总共18种基本粒子，让“基本粒子”这个概念变得非常尴尬，一点都不基本。如果要找到更基本的构成的话，一定要寻找比它们更小的构成单位。

因为有10种重子和8种介子，盖尔曼提出，只要有三种比这些粒子更基本的粒子，它们排列组合，就能够构成所有18种重子和介子。盖尔曼给这三种更基本的粒子命名为夸克，分别叫上夸克、下夸克以及奇异夸克。10种重子中，每一种重子都是由三个夸克组成的，这三个夸克可以是三种夸克中的一种。简单排列组合，可能性就有：上上上、下下下、奇奇奇、上上下、上下下、上上奇、上奇奇、下下奇、下奇奇、上下奇，刚好10种，其中上上下是质子，上下下是中子。除此之外，盖尔曼说介子其实是一个夸克和一个反夸克组成的，再凑一下：上反上、下反下、奇反奇、上反下、上反奇、下反奇、下反上、奇反上、奇反下，共9种，其中8种已经在被发现，第9种也在之后不久被发现。科学家们之后在实验室里验证了夸克的存在，但并非在实验室里发现单独的夸克粒子。夸克有一个性质叫夸克禁闭，是说夸克不能独立存在，必须要和其他夸克绑在一起。实验室里证明夸克存在的方法是用电子轰击质子，发现电子在轰击质子后的偏转有三个主要方向，由此证明了质子里有三个质量集中的团块，这也间接证明了夸克的存在。夸克最终被证明不止三种，1974年的时候，著名华裔物理学家丁肇中发现了质量更大的粲夸克，随后顶夸克和底夸克也被发现。就目前的研究进展来看，一共有6种夸克存在。

还有比夸克更小更基本的粒子存在吗？既然存在6种夸克，是不是说明夸克也有更微观的结构呢？这我们就不得而知了。