質子和中子是構成原子核的粒子，看起來似乎已經足夠微小。但科學家表示，這些亞原子粒子其實是由更小的粒子組成，他們將這些粒子稱為夸克。
“我認為最簡單的說法是，夸克是物質的基本組成部分，構成了我們周圍的一切，”理論物理學家傑弗裡·韋斯特解釋道。韋斯特在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室建立了高能物理研究小組，現在是聖塔菲研究所的傑出教授。
與電子和其他輕子一樣，夸克似乎不能再繼續分割為更小的結構。夸克是如此之小，以至於關於其大小的描述聽起來都令人難以置信。倫敦大學學院物理學教授喬恩·巴特沃斯（Jon Butterworth）解釋道，夸克的半徑大約是質子半徑的2000倍，而質子的半徑比一粒沙子小2.4萬億倍。
1964年首次提出
最早在1964年，加州理工學院的理論物理學家默裡·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）首次提出了夸克模型。他是發展粒子物理學標準模型的關鍵人物之一，也是1969年諾貝爾物理學獎得主。蓋爾曼指出，要想解釋質子和中子的性質，就必須假定它們由更小的粒子組成。與此同時，加州理工學院的另一位物理學家喬治·茨威格（George Zweig）也獨立地提出了這個想法。
從1967年到1973年，在斯坦福直線加速器中心（現稱為SLAC國家加速器實驗室）進行的實驗證實了夸克的存在。正如韋斯特所解釋的，夸克的一個奇怪之處在於，它們可以被觀察到，但不能被分離。“一個細微的區別在於，”他說，“它們和電子一樣都是基本粒子，但對於電子，我們可以觀察並分離它們。你可以指出某個電子的方向。對於夸克，你不可能從原子核中取出一個放到桌子上，對它進行檢驗。”
利用龐大的粒子加速器，科學家可以加速電子，並利用它們來探測原子核內部的秘密。如果電子撞擊到足夠深的地方，就會使夸克脫離，科學家就可以用非常精密的探測器來測量夸克。“我們重建了目標中組成質子和中子的基本單元，”韋斯特說。“你可以看到這些小點，我們把它們稱為夸克。”
夸克有六種類型
與質子相比，夸克只帶有部分電荷。根據質量，夸克可以分為六種類型，即六種“味”，分別是上、下、粲、奇、底和頂。它們還有一種名為“色荷”的性質，用來描述強相互作用如何把它們結合在一起。色荷由膠子攜帶，膠子也是一種基本粒子，負責在兩個夸克之間傳遞強相互作用，就像光子負責在兩個帶電粒子之間傳遞電磁力一樣。
美國堪薩斯大學的一個物理學研究小組計劃使用大型強子對撞機（LHC）上的一個設備來研究夸克和膠子之間的強相互作用。大型強子對撞機是世界上最強大的粒子加速器，位於法國和瑞士之間一條27公里長的隧道內。
“我們的想法是更好地瞭解質子和重離子——比如鉛——的結構，並研究一種叫做‘飽和（膠子狀態）’的新現象，”這項研究的領導者、堪薩斯大學物理學教授克里斯托夫·羅永（Christophe Royon）解釋道，“當兩個質子或兩個離子以極高的能量碰撞時，我們可以很靈敏地探測到它們的子結構——夸克和膠子，從而探測到某些膠子密度變得非常大的區域。”
“我們可以類比紐約高峰時段的地鐵，此時地鐵完全擠滿了，”克里斯托夫補充道，“在這種情況下，膠子的行為不是單一的，而是可以表現出集體行為，就像擁擠的地鐵一樣，如果有人摔倒了，每個人都會感覺到，因為人們離得很近。在某種程度上，質子或重離子可以表現得像一個固體，像一塊玻璃，這種狀態稱為‘色玻璃凝聚態’。這是我們希望在大型強子對撞機上看到的，也希望在美國未來的電子-離子對撞機上能看到。”
如果能找到這種稠密膠子物質存在的證據，或許將回答關於夸克最大的一個未解問題。“這是物質的一種新狀態，”克里斯托夫說，“相對論性重離子對撞機（RHIC）或大型強子對撞機已經提供了一些暗示，但一切都還不確定。這將是一個重要的發現，大型強子對撞機和電子-離子對撞機都是觀察這一現象的理想設備。”
科學家還想解答的另一個重要問題是，是否有比夸克更小的東西？“是否還存在另一個層次？”韋斯特說，“我們不知道答案。”
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