物質都由原子組成,原子則由原子核以及繞核運行的電子組成,原子核又由質子和中子組成(除氕原子核之外),而夸克就是組成質子和中子的理論基本粒子。雖然由于色禁閉,夸克從未被直接觀測到,但很多實驗都能間接表明它們的存在。在粒子物理學中,引入夸克模型,非常符合實際觀測結果。
按照目前的認知,夸克是組成物質的最基本單位。不過,按照弦理論,“能量弦”才是物質的最基本單位,由于它們的振動和運動產生了我們所觀測到的基本粒子。但弦理論還只是一種數學原理,缺乏實驗的證實。下面,我們來簡單了解一下夸克。
夸克和輕子(如電子、μ介子、中微子及其反粒子)兩大類基本粒子組成了宇宙中所有可見的物質。夸克是與四大基本自然力(電磁力、引力、強核力和弱核力)都有相互作用的唯一基本粒子。這些粒子具有色禁閉的基本屬性——夸克都是以強子的形式出現,無法被單獨分離出來。量子色動力學是描述夸克物理性質的理論。
就像其他亞原子粒子一樣,夸克可以用三個量子數來進行描述:自旋J、宇稱P和質量m。因為夸克無法單獨分離出來,所以必須通過觀測由它們組成的較大粒子來推斷其性質。目前已知有六種夸克:上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、頂夸克和底夸克。
幾種夸克的質量各不相同,它們的質量一般用兆電子伏特除以光速的平方(MeV/c^2))來表示。亞原子粒子是根據它們產生的能量而不是質量來測量的。上夸克的質量最小,頂夸克的質量最大,下夸克的質量大約是上夸克的兩倍。
包括質子和中子在內的所有重子,全部都是由三個夸克組成。例如,質子由兩個上夸克和一個下夸克組成,中子由兩個下夸克和一個上夸克組成。因此,宇宙中的絕大多數物質都是由上夸克和下夸克組成。此外,夸克所帶的電荷數不是整數,例如,上夸克攜帶2/3個正電荷,下夸克攜帶1/3個負電荷,所以質子帶一個正電荷,中子不帶電。