夸克的秘密，看完後夸克對你不再神秘

歐洲核子研究委員會的CMS探測器，是迄今為止組裝的兩個最強大的粒子探測器之一。

如果你想發現關於基本宇宙的新秘密和奧秘，你就需要以越來越高的能量碰撞粒子，從而揭開宇宙內部的秘密。至少，這是迄今為止最成功的方法！但還有另一種方法：觀察這些基本粒子如何以有趣、不尋常甚至不穩定的方式結合在一起。透過仔細研究它們之間的相互作用，我們有可能在目前的理解中發現一些漏洞，如果我們所做的只是在高能前沿尋找新的粒子，這些漏洞可能會從我們的理解中消失。大型強子對撞機除了希格斯玻色子之外沒有發現任何新的粒子，這種方法可能正是物理學所需要的。

盧瑟福的金箔實驗表明，原子大部分是空的，但有一點的質量密度遠遠大於原子的質量密度：原子核。

盧瑟福發現原子核已經有一百多年了，這是一個非常巧妙的實驗，他用亞原子粒子轟擊一些被錘得非常薄的金箔——所以只有幾個原子那麼厚。他發現，雖然大多數粒子都直接穿過箔片，與你可能預期的類似，但也有一些以奇怪的角度反彈，其中許多粒子的返回方向與最初的方向相反。

這是因為原子是由中心的原子核構成的。然而，如果盧瑟福能夠用更高能量的粒子轟擊這些原子核，他就會把它們擊成單個的質子和中子。更進一步，質子和中子本身由更小的粒子組成：夸克和膠子。就我們所知，夸克和膠子是最基本的，它們有自己的、有趣的和獨特的性質。

標準模型中的夸克、反夸克和膠子除了具有質量和電荷等所有其他性質外，還具有彩色電荷。

首先，與基本粒子標準模型中所有其他已知的粒子不同，夸克和膠子是唯一已知的帶顏色電荷的粒子，它的工作原理與你所習慣的其他“電荷”非常不同。

引力“電荷”只有一種（正的）型別，而且總是有吸引力的。如果你有一個質量，沒有反質量的對應物使電荷變為零。

電荷可以是正的，也可以是負的，其中每個電荷都可以抵消淨電荷，使一組複合粒子（如原子）電中性，即使它是由帶電成分構成的。

但是，一種顏色的電荷可以有三種不同的種類——紅色、綠色或藍色——以及每種顏色的“反變種”——反紅色（青色）、反綠色（品紅）或反藍色（黃色）——而正確的組合總是“顏色中性”的，或白色的。

膠子的交換改變了原子核內夸克的個別顏色，但所有內部成分的夸克/膠子組合總是導致無色組合。

但問題是：只要你做出一種顏色中性的組合，它就應該能夠穩定存在——至少是暫時存在——在這個宇宙中。你可以用一種顏色電荷和它的反色電荷的組合（比如夸克-反夸克對），或者三種顏色的組合（或者三種反色），比如質子，它是由三個夸克組成的。我們把這種顏色中性的組合稱為“白色”，只要某種東西是白色的，只要其他條件是正確的，它就可以存在。在所有情況下，這些夸克（或反夸克）透過（有色）膠子的發射和吸收而隨時間改變各自的顏色，但總的組合始終保持顏色中性。

一個夸克（RGB）和一個對應的反夸克（CMY）的組合總是確保介子是無色的。

對於夸克-反夸克組合，它們被稱為介子。如果你只有兩個夸克可用（比如上夸克和下夸克），你所能製造的粒子組合就有限，這取決於其他量子特性（比如自旋）如何配置。如果你有更多的夸克，你可以做出更多的組合。你最終得到的是所有可能粒子的光譜，所有預測到目前為止——在實驗範圍內——都得到了成功的證實。

將自旋為+3/2的上夸克、下夸克、奇夸克和底夸克組合在一起的不同方式會產生以下“重子譜”，即20個複合粒子的集合。有些仍未被發現。

對於三個夸克（或三個反夸克）組合，可以建立重子（或反重子）。再一次，當你進入越來越高的能量時，你不僅把夸克，而且把奇怪的、迷人的、底部的夸克（等等）混合在一起，你最終預測出了整個重子的光譜。就像介子一樣，我們的實驗探測器（和對撞機的能量）做得越好，我們發現的粒子就越多。但正如你已經知道的，夸克-反夸克對和三個夸克（或反夸克）的組合並不是唯一穩定的可能性。

例如，以下是一些有趣的無色物體：

你可以有兩個夸克和兩個反夸克：一個四夸克態。

你可以有四個夸克和一個反夸克，一個五夸克態。

你可以有6個夸克（或6個反夸克）都束縛在一個物體上：重子態。

或者你甚至可以有一個完全由膠子組成的準穩定結構，所有的膠子加起來就是一個無色的組合：一個膠球。

由四個靜態夸克和反夸克電荷構成的色通量管，表示在晶格量子色動力學中完成的計算。四夸克在第一次被觀測到之前很久就被預測到了。

在很長一段時間裡，這些物體只是理論上的。然而，強相互作用的理論——量子色動力學（QCD）——要求它們必須存在。如果他們沒有，那麼QCD是錯誤的！五夸克首次被發現是在2000年，但後來被證明是偽造的。但是在過去的幾年裡，第一個四夸克被發現，就在2015年，第一個被證實的五夸克狀態被宣佈。

2015年底夸克實驗合作中發現的五夸克質量狀態。“尖峰”對應於五夸克。

為什麼這很重要？首先，我們正在驗證一個之前未經驗證的假設，這個假設是關於宇宙最重要的基本理論之一。我們正在用一種全新的方式檢驗這個理論，發現我們不確定是否存在的粒子的存在。

但其次，幾乎可以肯定的是，這些新粒子的光譜是存在的：四夸克、五夸克，甚至更多！當有一個允許的組合時，可能會有很多。每一種組合的成分（四夸克是四夸克，五夸克是五夸克，等等）都比介子或重子多，這些結合態的數量應該比所有已知狀態的總和還要多。

有6個夸克和6個反夸克可供選擇，它們的自旋之和可以是1/2、3/2或5/2，預計五夸克的可能性比所有重子和介子的可能性之和還要多。

有趣的是，這也可能導致人們對尋找膠子重新產生興趣，這將是膠子在自然界中結合狀態的第一個直接證據！如果四夸克和五夸克奇異的量子色動力學預言在我們的宇宙中得到了證實，那麼膠球也應該存在也是合乎情理的。也許這些複合粒子的存在也將在大型強子對撞機上得到驗證，這將對我們的宇宙如何以兩種方式執行產生不可思議的影響。

如果量子色動力學是正確的，那麼理論上就有可能只存在膠子的準穩定束縛態：膠球。這顯示了一個可能的預測膠球譜，鑑於我們目前對強相互作用的理解。

五夸克和各種奇異的物質狀態的神奇之處不在於它們的存在，而在於它們使我們能夠把物理學的極限推得更遠，並探索我們最神聖的理論預言的邊界。在物理學中，我們能說出的最激動人心的話是：“這很有趣。”盧瑟福在一個多世紀前肯定是這麼想的。每當我們像這樣挑戰極限，我們就為自己創造了一個新的機會，去發現大自然是否符合我們的期望，或者是否真的有一些有趣的東西。

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