从上世纪60年代开始，人们对于粒子研究的重心发生了一点点变化，之前就是找新粒子，然后预言新粒子再找新粒子。所以早期的时候发现新粒子就代表和诺奖不远了，这说明当时理论是带领着实验走的。但是到了60年代末期，各种加速器、对撞机纷纷建立起来，从最开始的只有几MeV到几百GeV，人们在实验中发现的粒子突然多了起来。当时发现了200多种新粒子，可是这200多种粒子都是什么性质？怎么分类？哪些是基本粒子呢？这就需要在理论上进行突破了。

这200多种粒子，如果按照自旋可以分为费米子和玻色子，自旋可以分为朝上或朝下两个分量，所以自旋为半整数的，比如1/2，3/2, 5/2等等就是费米子，自旋为整数的就是玻色子。如果按照质量分类可以分为轻子，轻子最开始就表示比较轻的粒子，质子、中子叫做核子，介于中间的叫做介子。质量大于核子的叫做超子。核子和超子又叫做重子。但是逐渐人们发现用质量来划分这些粒子意义不大，因为质量只是这些粒子的属性当中最普通的一个，微观粒子奇怪的属性太多了。所以人们就想必须得用一个最本质的性质来分类，那就是相互作用力。咱们之前介绍过，当时除了人们熟悉的引力和电磁力之外，物理学家又发现了两种力，分别是强力和弱力。强力就是能够把质子和中子约束在原子核里的力，弱力是能够使粒子发生衰变的力。所以物理学家就根据参不参与强相互作用来划分这些粒子，不参与强相互作用的叫做轻子，参与的叫做强子。轻子到现在为止也就只发现了6种，分别是电子、还有咱们之前提过的μ子，后来人们又发现了一个更大的电子叫做τ子，质量比μ子还大，类电子家族成员有三个。另外三个轻子分别是对应的三种中微子：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。一共6个。再来看强子，介子、核子、超子这些都参与强相互作用，所以都是强子。除了轻子和强子以外，还有一类特殊的粒子叫做规范玻色子，比如光子，它们负责传递相互作用，但是静止质量为零。也就是说按照此时的分类，轻子加上规范玻色子一共只有不到10个，剩下的200多都是强子。

为什么轻子这么少，强子这么多呢？直觉告诉我们这200多的强子肯定不都是基本粒子，一定可以化繁为简有最基本的东西存在。所以其实在1949年的时候费米和杨振宁就提出过一种模型叫做“费米-杨模型”，他们认为只有质子和中子以及它们的反粒子才是基本粒子，剩下的都可以通过这四个粒子构造出来。后来是坂田昌一，他在1956年把费米-杨模型进行了推广，他认为质子、中子再加了一个∧超子，它们三个以及反粒子才是基本粒子。再后来又是一位天才完善了这套理论，这个人叫做盖尔曼。

盖尔曼是1929年出生在美国纽约，从小以神通著称，8岁的时候就上高中了，但是他和之前咱们了解的一些物理学大师不一样，之前的这些大师都是从小对数学啊、物理啊有很深的造诣，盖尔曼是从小喜欢研究文学，什么语言、历史这些。后来1944年15岁的盖尔曼考入美国耶鲁大学。选什么专业呢？他父亲希望他学习工程学，但是他又不喜欢，又不想违背父亲的意愿，那就选一个和工程学差不多的专业吧，于是就选择了物理学。

1962年盖尔曼在坂田的理论（SU（3））基础之上，给出了自己的一套方法叫做八重道，其实这里需要一些群论的知识，简单说盖尔曼的八重道就类似于门捷列夫的元素周期表，它能把这些粒子根据性质排列起来，然后分成一族一族的。早期如果元素周期表上出现了空缺，那这个元素就是可以被预言的。这一点盖尔曼的八重道也可以，他根据自己的理论推算，预言了Ω-超子，并且还预言这个Ω-粒子质量应该是1685MeV，平均寿命是10^-10秒，不要觉得很短，这个寿命在超子里就算长寿了，因为其他粒子的寿命基本上都比10^-22秒还短。而且他还预言了Ω-粒子有三种不同的衰变方式。这有点太神了！难倒“粒子周期表”找到了？一年之后也就是1963年，塞米奥斯实验小组在云室中拍摄了将近10万张照片，果然找到一个盖尔曼所预言的Ω-粒子。这个粒子的发现在理论物理上意义重大，也是SU（3）对称理论的巨大成功，因此它也被人们称作是粒子物理中的海王星。到了1964年盖尔曼一发不可收拾，他根据群论分析提出了一种新的基本粒子模型，那就是夸克模型。盖尔曼说强子太多了，但它们都不是基本粒子，而是由一种更基本的粒子夸克组成的。最开始盖尔曼只提出三种夸克分别是上夸克upper 下夸克down和奇异夸克strange，缩写分别是uds，然后这三种夸克有自己的反粒子，就是反上夸克、反下夸克和反奇异夸克。更奇怪的是它们的电荷，出现分数了。从密立根开始确认了电量的基本单位是e之后，人们默认了电子的电荷e就是电荷的最小单位，这怎么还能出现分数呢？盖尔曼说上夸克的电荷是2/3e，下夸克的电荷是-1/3e，奇异夸克的电荷也是-1/3e。然后根据他的夸克模型质子就是由两个上夸克和一个下夸克组成的，也就是uud，那电荷就是2/3+2/3-1/3=1，质子带一个单位的正电荷。中子是由一个上夸克和两个下夸克组成的，也就是udd，电荷就是2/3-1/3-1/3=0，中子不带电。

您可能会觉得这夸克模型有点东拼西凑啊，会不会是恰巧了呢？确实，当时的物理学家也是这么认为的，如果想要验证夸克模型，那就得真正的找到夸克。那人们又是如何发现夸克的呢？

作者：妈咪说科普创作者

审核：罗会仟中国科学院物理研究所副研究员

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