夸克禁闭是一种
物理现象,描述
夸克不会单独存在。由于
强相互作用力,带色荷的夸克被限制和其他夸克在一起(两个或三个组成一个粒子),使得总
色荷为零。夸克之间的
作用力随着
距离的增加而增加,因此而不能发现单独存在的夸克。
夸克是在
宇宙产生10-10秒后产生的,那时宇宙的温度已经下降到低于100GeV,这是产生成对的W和Z粒子的门槛。从那个时候起,W和Z粒子接过了进行粒子间
弱相互作用的任务而且也不会单独存在,除非在它们产生的地方(短暂的)。宇宙诞生后约10-6~10-3秒之间,其温度降到夸克不再有足够的能量自由漫游的程度,而是两个或三个约束在一起。宇宙诞生大约1
微秒后,可用能量低于几百TeV,夸克和
反夸克凝聚成
重子和
反重子。夸克等离子阶段在宇宙起源10-4秒后就结束了。
夸克(英语:quark,又译“层子”或“亏子”)是一种
基本粒子,也是构成
物质的基本单元。夸克互相结合,形成一种
复合粒子,叫
强子,强子中最稳定的是
质子和
中子,它们是构成原子核的单元。由于一种叫“
夸克禁闭”的现象,夸克不能够直接被观测到,或是被分离出来;只能够在强子里面找到夸克。因为这个原因,人类对夸克的所知大都是来自对强子的观测。
夸克有六种“
味”,分别是
上、
下、粲、
奇、
底及
顶。上及下夸克的质量是所有夸克中最低的。较重的夸克会通过一个叫
粒子衰变的过程,来迅速地变成上或下夸克。粒子衰变是一个从高质量态变成低质量态的过程。就是因为这个原因,上及下夸克一般来说很稳定,所以它们在
宇宙中很常见,而奇、粲、顶及底则只能经由高能粒子的碰撞产生(例如
宇宙射线及
粒子加速器)。
夸克有着多种不同的内在特性,包括
电荷、
色荷、
自旋及
质量等。在标准模型中,夸克是唯一一种能经受全部四种
基本相互作用的基本粒子,基本相互作用有时会被称为“基本力”(
电磁相互作用力、
万有引力、
强相互作用力及
弱相互作用力)。夸克同时是现时已知唯一一种
基本电荷非
整数的粒子。夸克每一种味都有一种对应的
反粒子,叫
反夸克,它跟夸克的不同之处,只在于它的一些特性跟夸克大小一样但正负不同。
夸克模型分别由
默里·盖尔曼与
乔治·茨威格于1964年独立地提出。引入夸克这一概念,是为了能更好地整理各种强子,而当时并没有什么能证实夸克存在的物理证据,直到1968年SLAC开发出
深度非弹性散射实验为止。夸克的六种味已经全部被加速器实验所观测到;而于1995年在
费米实验室被观测到的顶夸克,是最后发现的一种。
强相互作用是作用于强子之间的力,是所知四种
宇宙间基本作用力最强的,也是作用距离最短的(大约在 10-15~10-10m 范围内,比
弱相互作用的范围大)。另外三种相互作用分别是
引力、
电磁力及
弱相互作用。
核子间的核力就是强相互作用。它抵抗了
质子之间的强大的
电磁力,维持了
原子核的稳定。强相互作用也将
夸克基本粒子结合成为
质子及
中子等强子,这也是组成大部分物质的粒子。而且一般质子或中子里,大部分的
质能是以强相互作用场能量的形式存在,夸克只提供了1%的质能。
强相互作用可以在二个地方看到:较大的尺度(约1至3
飞米)下,强相互作用将
质子及
中子结合成为
原子的
原子核,较小的尺度(约0.8飞米,约为核子的尺寸)下,强相互作用将
夸克结合,成为质子、中子或其他强子。强相互作用的作用力非常强,大到束缚一个夸克的能量可以转换为新的夸克对的质量,强相互作用的这个性质称为
夸克禁闭。
强相互作用是唯一强度不会随距离减小的作用力,但因为夸克禁闭,夸克会限制和其他夸克在一起,形成的强子之间会有残留的强相互作用,也称为
核力,核力会随距离而迅速减少。撞击原子核释放的部分
束缚能和产生的核力有关,而核力也用在核能及核聚变式的
核武器中。
强相互作用一般认为是由
胶子传递的,胶子会在夸克、
反夸克及其他胶子之间交换。胶子会带有
色荷,色荷和人眼可见的颜色完全没有关系,色荷类似
电荷,但色荷有六种(红、绿、蓝、反红、反绿、反蓝),因此会形成不同的力,有不同的规则,在量子色动力学(QCD)中有描述,这也是夸克-胶子相互作用的基础。吴秀兰等科学家对胶子发现有很大贡献的科学家,在1995年因此获得了欧洲物理学会髙能和粒子物理奖。
在
大爆炸后,电弱时期时,弱电相互作用和强相互作用分离,统一弱相互作用和电磁相互作用的
电弱统一理论已经获得实验证实。科学家进一步预期有一个
大统一理论可以统一弱电相互作用及强相互作用,现今有许多是大统一理论的理论,第一个是
哈沃德·乔吉和
谢尔登·格拉肖于1974年提出了最早的SU(5)大统一理论,但和实验不合,其他的理论有SO(10)模型、乔吉-格拉肖模型,但还没有一个是广为科学家接受,且有实验证实的理论,而且许多大统一理论都预言
质子衰变,但目前也还没有实验支持,大统一理论也还是
未解决的物理学问题之一。