從上世紀60年代開始，人們對于粒子研究的重心發生了一點點變化，之前就是找新粒子，然后預言新粒子再找新粒子。所以早期的時候發現新粒子就代表和諾獎不遠了，這說明當時理論是帶領著實驗走的。但是到了60年代末期，各種加速器、對撞機紛紛建立起來，從最開始的只有幾MeV到幾百GeV，人們在實驗中發現的粒子突然多了起來。當時發現了200多種新粒子，可是這200多種粒子都是什么性質？怎么分類？哪些是基本粒子呢？這就需要在理論上進行突破了。

這200多種粒子，如果按照自旋可以分為費米子和玻色子，自旋可以分為朝上或朝下兩個分量，所以自旋為半整數的，比如1/2，3/2, 5/2等等就是費米子，自旋為整數的就是玻色子。如果按照質量分類可以分為輕子，輕子最開始就表示比較輕的粒子，質子、中子叫做核子，介于中間的叫做介子。質量大于核子的叫做超子。核子和超子又叫做重子。但是逐漸人們發現用質量來劃分這些粒子意義不大，因為質量只是這些粒子的屬性當中最普通的一個，微觀粒子奇怪的屬性太多了。所以人們就想必須得用一個最本質的性質來分類，那就是相互作用力。咱們之前介紹過，當時除了人們熟悉的引力和電磁力之外，物理學家又發現了兩種力，分別是強力和弱力。強力就是能夠把質子和中子約束在原子核里的力，弱力是能夠使粒子發生衰變的力。所以物理學家就根據參不參與強相互作用來劃分這些粒子，不參與強相互作用的叫做輕子，參與的叫做強子。輕子到現在為止也就只發現了6種，分別是電子、還有咱們之前提過的μ子，后來人們又發現了一個更大的電子叫做τ子，質量比μ子還大，類電子家族成員有三個。另外三個輕子分別是對應的三種中微子：電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。一共6個。再來看強子，介子、核子、超子這些都參與強相互作用，所以都是強子。除了輕子和強子以外，還有一類特殊的粒子叫做規范玻色子，比如光子，它們負責傳遞相互作用，但是靜止質量為零。也就是說按照此時的分類，輕子加上規范玻色子一共只有不到10個，剩下的200多都是強子。

為什么輕子這么少，強子這么多呢？直覺告訴我們這200多的強子肯定不都是基本粒子，一定可以化繁為簡有最基本的東西存在。所以其實在1949年的時候費米和楊振寧就提出過一種模型叫做“費米-楊模型”，他們認為只有質子和中子以及它們的反粒子才是基本粒子，剩下的都可以通過這四個粒子構造出來。后來是坂田昌一，他在1956年把費米-楊模型進行了推廣，他認為質子、中子再加了一個∧超子，它們三個以及反粒子才是基本粒子。再后來又是一位天才完善了這套理論，這個人叫做蓋爾曼。

蓋爾曼是1929年出生在美國紐約，從小以神通著稱，8歲的時候就上高中了，但是他和之前咱們了解的一些物理學大師不一樣，之前的這些大師都是從小對數學啊、物理啊有很深的造詣，蓋爾曼是從小喜歡研究文學，什么語言、歷史這些。后來1944年15歲的蓋爾曼考入美國耶魯大學。選什么專業呢？他父親希望他學習工程學，但是他又不喜歡，又不想違背父親的意愿，那就選一個和工程學差不多的專業吧，于是就選擇了物理學。

1962年蓋爾曼在坂田的理論（SU（3））基礎之上，給出了自己的一套方法叫做八重道，其實這里需要一些群論的知識，簡單說蓋爾曼的八重道就類似于門捷列夫的元素周期表，它能把這些粒子根據性質排列起來，然后分成一族一族的。早期如果元素周期表上出現了空缺，那這個元素就是可以被預言的。這一點蓋爾曼的八重道也可以，他根據自己的理論推算，預言了Ω-超子，并且還預言這個Ω-粒子質量應該是1685MeV，平均壽命是10^-10秒，不要覺得很短，這個壽命在超子里就算長壽了，因為其他粒子的壽命基本上都比10^-22秒還短。而且他還預言了Ω-粒子有三種不同的衰變方式。這有點太神了！難倒“粒子周期表”找到了？一年之后也就是1963年，塞米奧斯實驗小組在云室中拍攝了將近10萬張照片，果然找到一個蓋爾曼所預言的Ω-粒子。這個粒子的發現在理論物理上意義重大，也是SU（3）對稱理論的巨大成功，因此它也被人們稱作是粒子物理中的海王星。到了1964年蓋爾曼一發不可收拾，他根據群論分析提出了一種新的基本粒子模型，那就是夸克模型。蓋爾曼說強子太多了，但它們都不是基本粒子，而是由一種更基本的粒子夸克組成的。最開始蓋爾曼只提出三種夸克分別是上夸克upper 下夸克down和奇異夸克strange，縮寫分別是uds，然后這三種夸克有自己的反粒子，就是反上夸克、反下夸克和反奇異夸克。更奇怪的是它們的電荷，出現分數了。從密立根開始確認了電量的基本單位是e之后，人們默認了電子的電荷e就是電荷的最小單位，這怎么還能出現分數呢？蓋爾曼說上夸克的電荷是2/3e，下夸克的電荷是-1/3e，奇異夸克的電荷也是-1/3e。然后根據他的夸克模型質子就是由兩個上夸克和一個下夸克組成的，也就是uud，那電荷就是2/3+2/3-1/3=1，質子帶一個單位的正電荷。中子是由一個上夸克和兩個下夸克組成的，也就是udd，電荷就是2/3-1/3-1/3=0，中子不帶電。

您可能會覺得這夸克模型有點東拼西湊啊，會不會是恰巧了呢？確實，當時的物理學家也是這么認為的，如果想要驗證夸克模型，那就得真正的找到夸克。那人們又是如何發現夸克的呢？

作者：媽咪說科普創作者

審核：羅會仟中國科學院物理研究所副研究員

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