基本概述

　　我們知道夸克有六種，

夸克的種類被稱為“味”，它們是上、下、魅、奇、底及頂。上及下夸克的質量是所有夸克中最低的。較重的夸克會通過一個叫粒子衰變的過程，來迅速地變成上或下夸克。粒子衰變是一個從高質量態變成低質量態的過程。就是因為這個原因，上及下夸克一般來說很穩定，所以它們在宇宙中很常見，而奇、魅、頂及底則只能經由高能粒子的碰撞產生（例如宇宙射線及粒子加速器）。

　　夸克有著多種不同的內在特性，包括電荷、色荷、自旋及質量等。在標準模型中，夸克是唯一一種能經受全部四種基本相互作用的基本粒子，基本相互作用有時會被稱為“基本力”（電磁、引力、強相互作用及弱相互作用）。夸克同時是現時已知唯一一種基本電荷非整數的粒子。夸克每一種味都有一種對應的反粒子，叫反夸克，它跟夸克的不同之處，只在于它的一些特性跟夸克大小一樣但正負不同。

　　夸克模型分別由默里·蓋爾曼與喬治·茨威格于1964年獨立地提出。引入夸克這一概念，是為了能更好地整理各種強子，而當時并沒有什么能證實夸克存在的物理證據，直到1968年SLAC開發出深度非彈性散射實驗為止。夸克的六種味已經全部被加速器實驗所觀測到；而最早于1995年在費米實驗室被觀測到的頂夸克，是最后發現的一種。

分類介紹

　　標準模型是描述所有已知基本粒子的理論框架，同時還包括希格斯玻色子。此模型包含六種味的夸克（q）：上（u）、下（d）、奇（s）、魅（c）、底（b）及頂（t）。夸克的反粒子叫反夸克，在對應的夸克符號上加一橫作為標記，例如u代表反上夸克。跟一般反物質一樣，反夸克跟對應的夸克有著相同的質量、平均壽命及自旋，但兩者的電荷及其他荷的正負則相反。

　　夸克的自旋為1?2，因此根據自旋統計定理，

它們是費米子。它們遵守泡利不相容原理，即兩個相同的費米子，不能同時擁有相同的量子態。這點跟玻色子相反（擁有整數自旋的粒子），在相同的量子態上，相同的玻色子沒有數量限制。跟輕子不同的是，夸克擁有色荷，因此它們會參與強相互作用。因為這種夸克間吸引力的關系，而形成的復合粒子，叫做“強子”（見下文強相互作用與色荷部份）。

　　在強子中決定量子數的夸克叫“價夸克”；除了這些夸克，任何強子都可以含有無限量的虛（或“海”）夸克、反夸克，及不影響其量子數的膠子。強子分兩種：帶三個價夸克的重子，及帶一個價夸克和一個反價夸克的介子。最常見的重子是質子和中子，它們是構成原子核的基礎材料。我們已經知道有很多不同的強子（見重子列表及介子列表），它們的不同點在于其所含的夸克，及這些內含物所賦予的性質。而含有更多價夸克的“奇特重子”，如四夸克粒子（qqqq）及五夸克粒子（qqqqq），目前仍在理論階段，它們的存在仍未被證實。

　　基本費米子被分成三代，每一代由兩個輕子和兩個夸克組成。第一代有上及下夸克，第二代有奇及粲夸克，而第三代則有頂及底夸克。過去所有搜尋第四代基本粒子的研究均以失敗告終，又有有力的間接證據支持不會有超過三代。代數較高的粒子，一般會有較大的質量及較低的穩定性，于是它們會通過弱相互作用，衰變成代數較低的粒子。在自然中，只有第一代夸克（上及下）是常見的。較重的夸克只能通過高能碰撞來生成（例如宇宙射線），而且它們很快就會衰變；然而，科學家們相信大爆炸后，第一秒的最早部份會存有重夸克，那時宇宙處于溫度及密度極高的狀態（夸克時期）。重夸克的實驗研究都在人工的環境下進行，例如粒子加速器。

　　同時擁有電荷、質量、色荷及味，夸克是唯一一種能經受現代物理全部四種相互作用的已知粒子，這四種作用為：電磁、引力、強相互作用及弱相互作用。對于個別粒子的相互作用而言，除非是在極端的能量（普朗克能量）及距離尺度（普朗克距離）下，引力實在是小得微不足道。然而，由于現時仍沒有成功的量子引力理論，所以標準模型并不描述引力。

　　關于六種夸克味更完整的概述，可見于下文中的列表。

發展歷程

　　夸克模型于1964年由物理學家默里·蓋爾曼[19]和喬治·茨威格（George Zweig）獨立提出。在這個提案前不久的1961年，蓋爾曼提出了一種粒子分類系統，叫“八重道”——或技術上應叫SU(3)味對稱。以色列物理學家尤瓦勒·內埃曼（Yuval Ne'eman），在同年亦獨立地開發出一套跟八重道相近的理論。

　　在夸克理論的初期，當時的“粒子動物園”除了其他各種粒子，還包括了許多強子。蓋爾曼和茨威格假定它們不是基本粒子，而是由夸克和反夸克組成的。在他們的模型中，夸克有三種味，分別是上、下及奇，他們把電荷及自旋等性質都歸因于這些味。初時物理學界對于這份提案的意見不一。當時學界對于夸克的本質有所爭論，一方認為夸克是物理實體，另一方則認為，它只是用來解釋當時未明物理的抽象概念而已。

　　在一年之內，就有人提出了蓋爾曼－茨威格模型的延伸方案。謝爾登·李·格拉肖和詹姆斯·布約肯（James Bjorken）預測有第四種夸克存在，他們把它叫做“魅”。加上第四種夸克的原因有三：一、能更好地描述弱相互作用（導致夸克衰變的機制）；二、夸克的數量會變得與當時已知的輕子數量一樣；三、能產生一條質量方程，可以計算出已知介子的質量。

　　史丹佛線性加速器中心（SLAC）的深度非彈性散射實驗在1968年指出，質子含有比自己小得多的點狀物，因此質子并非基本粒子。物理學家當時并不愿意把這些物體視為夸克，反而叫它們做“成子”（parton）——一個由理查德·費曼所創造的新詞隨著更多味的發現，在SLAC所觀測到的粒子后來被鑒定為上及下夸克。不過，“成子”一詞到現在還在使用，是重子構成物（夸克、反夸克和膠子）的總稱。

　　奇夸克的存在由SLAC的散射實驗間接證實：奇夸克不但是蓋爾曼和茨威格三夸克模型的必要部份，而且還解釋到1947年從宇宙射線中發現的K和π強子。

　　在1971年的一份論文中，格拉肖、約翰·李爾普羅斯和盧奇亞諾·馬伊阿尼（Luciano Maiani）一起對當時尚未發現的粲夸克，提出更多它存在的理據。到1973年，小林誠和益川敏英指出再加一對夸克，就能解釋實驗中觀測到的CP破壞，于是夸克應有的味被提升到現時的六種。

　　粲夸克在1974年被兩個研究小組幾乎同時發現（見十一月革命）——一組在SLAC，由伯頓·里克特領導；而另一組則在布魯克黑文國家實驗室，由丁肇中領導。觀測到的粲夸克在介子里面，與一個反粲夸克束縛在一起。兩組分別為這種介子起了不同的名子：J及ψ；因此這種粒子的正式名子叫J/ψ介子。這個發現終于使物理學界相信夸克模型是正確的。

　　在之后的幾年，有一些把夸克數量增至六個的提案。其中，以色列物理學家哈伊姆·哈拉里（Haim Harari）在1975年的論文中，最早把加上的夸克命名為“頂”及“底”。

　　底夸克在1977年被利昂·萊德曼領導的費米實驗室研究小組觀測到。這是一個代表頂夸克存在的有力征兆：沒有頂夸克的話，底夸克就沒有伴侶。然而一直都沒有觀測到頂夸克，直至1995年，終于被費米實驗室的CDF及D?小組觀測到。它的質量比之前預料的要大得多——幾乎跟金原子一樣重。

基本性質

電荷

　　夸克的電荷值為分數——基本電荷的?1?3倍或+2?3倍，隨味而定。上、魅及頂夸克（這三種叫“上型夸克”）的電荷為+2?3，而下、奇及底夸克（這三種叫“下型夸克”）的則為?1?3。反夸克與其所對應的夸克電荷相反；上型反夸克的電荷為?2?3，而下型反夸克的電荷則為+1?3。由于強子的電荷，為組成它的夸克的電荷總和，所以所有強子的電荷均為整數：三個夸克的組合（重子）、三個反夸克（反重子），或一個夸克配一個反夸克（介子），加起來電荷值都是整數。例如，組成原子核的強子，中子和質子，其電荷分別為0及+1；中子由兩個下夸克和一個上夸克組成，而質子則由兩個上夸克和一個下夸克組成。

自旋

　　自旋是基本粒子的一種內在特性，它的方向是一項重要的自由度。在視像化時，有時它會被視為一沿著自己中軸轉動的物體（所以名叫“自旋”），但是由于科學家們認為基本粒子應是點粒子，所以上述這個看法有點兒誤導。

　　自旋可以用矢量來代表，其長度可用約化普朗克常數?來量度。量度夸克時，在任何軸上量度自旋的矢量分量，結果皆為+?/2或??/2；因此夸克是一種自旋1?2粒子。沿某一軸（慣例上為z軸）上的旋轉分量，一般用上箭頭↑來代表+1?2，下箭頭↓來代表?1?2，然后在后加上味的符號。例如，一自旋為+1?2的上夸克可被寫成u↑。

弱相互作用

　　夸克只能通過弱相互作用，由一種味轉變成另一種味，弱相互作用是粒子物理學的四種基本相互作用之一。任何上型的夸克（上、魅及頂夸克），都可以通過吸收或釋放一W玻色子，而變成下型的夸克（下、奇及底夸克），反之亦然。這種變味機制正是導致β衰變這種放射過程的原因，在β衰變中，一中子（n）“分裂”成一質子（p）、一電子（e?
）及一反電中微子（νe）。在β衰變發生時，中子（udd）內的一下夸克在釋放一虛W?玻色子后，隨即衰變成一上夸克，于是中子就變成了質子（uud）。隨后W?玻色子衰變成一電子及一反電中微子。

強相互作用與色荷

　　夸克有一種叫“色荷”的性質。色荷共分三種，可任意標示為“藍”、“綠”及“紅”每一種色荷都有其對應的反色荷——“反藍”、“反綠”及“反紅”。每一個夸克都帶一種色，而每一個反夸克則帶一種反色。

　　掌管夸克間吸引及排斥的系統，是由三種色的各種不同組合所負責，叫強相互作用，它是由一種叫膠子的規范玻色子所傳遞的；下文中有關于膠子更詳細的討論。描述強相互作用的理論叫量子色動力學（QCD）。一個帶某色荷的夸克，可以和一個帶對應反色荷的反夸克，一起生成一束縛系統；三個（反）色荷各異的（反）夸克，也就是三種色每種一個，同樣也可以束縛在一起。兩個互相吸引的夸克會達至色中性：一夸克帶色荷ξ，加上一個帶色荷?ξ的反夸克，結合后色荷為零（或“白”色），成為一個介子。跟基本光學的顏色疊加一樣，把三個色荷互不相同的夸克或三個這樣的反夸克組合在一起，就會同樣地得到“白”的色荷，成為一個重子或反重子。

　　在現代粒子物理學中，聯系粒子相互作用的，是一種叫規范對稱的空間對稱群（見規范場論）。色荷SU(3)（一般簡寫成SU(3)c）是夸克色荷的規范對稱，也是量子色動力學的定義對稱。物理學定律不受空間的方向（如x、y及z）所限，即使座標軸旋轉到一個新方向，定律依然不變，量子色動力學的物理也一樣，不受三維色空間的方向影響，色空間的三個方向分別為藍、紅和綠。SU(3)c的色變與色空間的“旋轉”相對應（數學上，色空間是復數空間）。每一種夸克味，f，下面都有三種小分類fB、fG和fR，對應三種夸克色藍、綠和紅，形成一個三重態：一股有三個分量的量子場，并且在變換時遵從SU(3)c的基本表示。這個時候SU(3)c應是局部的，這個要求換句話說，就是容許變換隨空間及時間而定，所以說這個局部表示決定了強相互作用的性質，尤其是有八種載力用膠子這一點。

質量

　　在提及夸克質量時，需要用到兩個詞：一個是“凈夸克質量”，也就是夸克本身的質量；另一個是“組夸克質量”，也就是凈夸克質量加上其周圍膠子場的質量。這兩個質量的數值一般相差甚遠。一個強子中的大部份的質量，都屬于把夸克束縛起來的膠子，而不是夸克本身。盡管膠子的內在質量為零，它們擁有能量——更準確地，應為量子色動力學束縛能（QCBE）——就是它為強子提供了這么多的質量（見狹義相對論中的質量）。例如，一個質子的質量約為938 MeV/c2，其中三個價夸克大概只有11 MeV/c2；其余大部份質量都可以歸咎于膠子的QCBE。

　　標準模型假定所有基本粒子的質量，都是來自希格斯機制，而這個機制跟希格斯玻色子有關系。頂夸克有著很大的質量，一個頂夸克大約跟一個金原子核一樣重（~171 GeV/c2），而透過研究為什么頂夸克的質量那么大，物理學家希望能找到更多有關于夸克，及其他基本粒子的質量來源。