夸克 （quark ）[ 1] 基本粒子 ，也是構成物質 的基本單元。夸克互相結合，形成一種複合粒子 ，叫強子 ，強子中最穩定的是質子 和中子 ，它們是構成原子核的單元[ 2] 夸克禁閉 ”的現象，夸克不能夠直接被觀測到，或是被分離出來；只能夠在強子裏面找到夸克[ 3] [ 4]
目前已知夸克 有六種“味 ” (flavour)：上夸克 (u)/ up、下夸克 (d)/down、魅(粲)夸克 (c)/charm、奇夸克 (s)/strange、底夸克 (b)/bottom、 頂夸克 (t)/top [ 5] 粒子衰變 的過程，來迅速地變成上夸克或下夸克。粒子衰變是一個從高質量態變成低質量態的過程，因此，上夸克及下夸克一般來說很穩定，所以它們在宇宙 中很常見，而奇夸克、魅夸克、頂夸克及底夸克則只經由高能 粒子的碰撞產生（例如宇宙射線 及粒子加速器 ）。
夸克有着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4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”（電磁相互作用力 、萬有引力 、強相互作用力 及弱相互作用力 ）。夸克亦是現今已知唯一的一種基本電荷 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，只在於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 於1964年獨立地提出[ 6] SLAC 開發出深度非彈性散射 [ 7] [ 8] 費米實驗室 被觀測到的頂夸克，是最後發現的一種[ 6]
標準模型 中的粒子有六種是夸克（圖中用紫色表示）。左邊的三行中，每一行構成物質的一代 。標準模型 是描述所有已知基本粒子的理論框架[ 9] 味 的夸克（u （d （s （c （b （t （[ 5] 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 反物質 一樣，反夸克跟對應的夸克有着相同的質量、平均壽命 及自旋 ，但兩者的電荷 及其他荷 的正負則相反[ 10]
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[ 11] 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係，而形成的複合粒子，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 [ 12] 重子 ，及帶一個價夸克和一個反價夸克的介子 [ 13] 原子核 的基礎材料[ 14] 重子列表 及介子列表 ），它們的不同點在於其所含的夸克，及這些內含物所賦予的性質。而含有更多價夸克的“奇異”強子 ，如四夸克粒子 （q q 五夸克粒子 （q [ 15] [ 註 1] [ 15] [ 16]
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。第一代有上夸克及下夸克，第二代有奇夸克及魅夸克，而第三代則有頂夸克及底夸克。過去所有搜尋第四代基本粒子的研究均以失敗告終[ 17] [ 註 2] [ 18] 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（上夸克及下夸克）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，科學家們相信大霹靂 後，第一秒的最早部份會存有重夸克，那時宇宙處於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 [ 19]
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、重力、強相互作用及弱相互作用[ 14] 普朗克能量 ）及距離尺度（普朗克距離 ）下，重力實在是小得微不足道。然而，由於現時仍沒有成功的量子重力理論 ，所以標準模型並不描述重力。
關於六種夸克味更完整的概述，可見於下文中的列表 。
默里·盖尔曼 ，攝於2007年的TED大會 。蓋爾曼與喬治·茨威格 在1964年提出了夸克模型。夸克模型於1964年由物理學家默里·蓋爾曼 [ 20] 喬治·茨威格 （George Zweig）[ 21] [ 22] [ 6] 八重道 ”——或技術上應叫特殊么正群 味對稱 [ 23] 尤瓦勒·內埃曼 [ 24] [ 25]
在夸克理論的初期，當時的“粒子園 ”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於這些味[ 20] [ 21] [ 22] [ 26]
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 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 介子 的質量[ 27]
史丹佛線性加速器中心 （SLAC）深度非彈性散射 點狀物 ，因此質子並非基本粒子[ 7] [ 8] [ 28] 部分子 ”（parton）——一個由理查德·費曼 所創造的新詞[ 29] [ 30] [ 31] :42 隨着更多的發現，在SLAC所觀測到的粒子後來被鑑定為上及下夸克[ 32] :556 。不過，“部分子”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[ 33]
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魅夸克 ，提出更多它存在的理據[ 34] [ 31] :44 。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 [ 註 3] [ 35]
魅夸克在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哈芬國家實驗室 ，由丁肇中 領導。觀測到的魅夸克在介子裏面，與一個反魅夸克束縛 （Bound state）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字叫J/ψ介子 。這個發現終於使物理學界相信夸克模型是正確的[ 31]
在之後的幾年，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 [ 36] 頂 ”及“底 ”[ 37] :31-33 。
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[ 38] [ 39] 費米實驗室 的CDF [ 40] DØ [ 41] [ 6] [ 37] :144 ——幾乎跟金 原子一樣重[ 42]
蓋爾曼原本想用鴨的叫聲來命名夸克[ 43] 詹姆斯·喬伊斯 小說《芬尼根的守灵夜 》裏面找到“夸克”這個詞：
“
给马斯特·马克来三个夸克！
”
——《芬尼根的守灵夜》，詹姆斯·喬伊斯[ 44] [ 45]
蓋爾曼在其著作《夸克與美洲豹 [ 46]
“
在1963年，我把核子的基本構成部份命名為“夸克”（quark），我先有的是聲音，而沒有拼法，所以當時也可以寫成“郭克”（kwork）。不久之後，在我偶爾翻閱詹姆斯·喬伊斯所著的《芬尼根的守灵夜》時，我在“向麥克老大三呼夸克”這句中看到夸克這個詞。由於“夸克”（字面上意為海鷗的叫聲）很明顯是要跟“麥克”及其他這樣的詞押韻，所以我要找個藉口讓它讀起來像“郭克”。但是書中代表的是酒館老闆伊厄威克的夢，詞源多是同時有好幾種。書中的詞很多時候是酒館點酒用的詞。所以我認為或許“向麥克老大三呼夸克”源頭可能是“敬麥克老大三個夸脫 ”，那麼我要它讀“郭克”也不是完全沒根據。再怎麼樣，字句裏的三跟自然中夸克的性質完全不謀而合。
”
茨威格則用“埃斯”（Ace）來稱呼他所理論化的粒子，但是在夸克模型被廣泛接納時，蓋爾曼的用詞就變得很有名[ 47]
夸克味的命名都是有原因的。上及下夸克被這樣叫，是源於同位旋 的上及下分量，而它們確實各自帶有這樣一個量[ 48] 奇異粒子 中被發現的，發現奇異粒子的時候還沒有夸克理論；它們被視為“奇異”，是因為它們的壽命不尋常地長[ 49] [ 50] [ 36] [ 37] [ 49] [ 51] :133 。
夸克的電荷值為分數 ——基本電荷 的−1 ⁄3 2 ⁄3 2 ⁄3 1 ⁄3 2 ⁄3 1 ⁄3 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[ 52] [ 14]
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着自己中軸轉動的物體（所以名叫“自旋 ”）。
自旋可以用向量 來代表，其長度可用約化普朗克常數 ħ 來量度。量度夸克時，在任何軸上量度自旋的向量分量 ，結果皆為+ħ /2或−ħ /2；因此夸克是一種自旋1 ⁄2 粒子[ 51] :80–90 。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 1 ⁄2 1 ⁄2 [ 53]
圖為β衰變 的費曼圖 ，時間箭頭向上。CKM矩陣（詳見下文）包含了β及其他夸克衰變的發生概率。 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、粲及頂夸克），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（電子 （− 電中微子 （ν − − [ 31] :307ff 。
→
+
− +
ν （β衰變，重子標記）
→
+
− +
ν （β衰變，夸克標記）
β衰變及其逆過程“逆β過程 ”在醫學上都有常規性的應用，例如正電子發射計算機斷層掃描 。這兩個過程在高能實驗中也有應用，例如中微子探測 。
圖為六種夸克間弱相互作用的強度 。線的“深淺”由CKM矩陣 的元決定。 儘管所有夸克的變味過程都一樣，每一種夸克都偏向於變成跟自己同一代的另一夸克。所有味變的這種相對趨勢，都是由一個數學表 來描述，叫卡比博-小林-益川矩陣 （CKM矩陣）。CKM矩陣內所有數值的大約大小 如下[ 54]
[
|
V
u
d
|
|
V
u
s
|
|
V
u
b
|
|
V
c
d
|
|
V
c
s
|
|
V
c
b
|
|
V
t
d
|
|
V
t
s
|
|
V
t
b
|
]
≈
[
0.974
0.225
0.003
0.225
0.973
0.041
0.009
0.040
0.999
]
{\displaystyle {\begin{bmatrix}|V_{\mathrm {ud} }|&|V_{\mathrm {us} }|&|V_{\mathrm {ub} }|\\|V_{\mathrm {cd} }|&|V_{\mathrm {cs} }|&|V_{\mathrm {cb} }|\\|V_{\mathrm {td} }|&|V_{\mathrm {ts} }|&|V_{\mathrm {tb} }|\end{bmatrix}}\approx {\begin{bmatrix}0.974&0.225&0.003\\0.225&0.973&0.041\\0.009&0.040&0.999\end{bmatrix}}}
其中V ij i 變成夸克味j （反之亦然）的可能性[ 註 4]
輕子（上圖β衰變中在W玻色子右邊的粒子）也有一個等效的弱相互作用矩陣，叫龐蒂科夫-牧-中川-坂田矩陣 （PMNS矩陣）[ 55] [ 56]
不论种类，强子的总色荷为零。 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”[ 註 5] [ 57]
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 的規範玻色子 所傳遞的；下文中有關於膠子更詳細的討論。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，結合後色荷為零（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[ 58]
在現代粒子物理學中，聯繫粒子相互作用的，是一種叫規範對稱 的空間對稱群 （見規範場論 ）。色荷SU(3) （一般簡寫成SU(3)c ）是夸克色荷的規範對稱，也是量子色動力學的定義對稱[ 32] :part III 。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，色空間是複數空間 f ，下面都有三種小分類f B 、f G 和f R ，對應三種夸克色藍、綠和紅[ 59] c 的基本表示 [ 60] 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[ 32] :part III [ 61]
在提及夸克質量時，需要用到兩個詞：一個是“淨夸克 組夸克 膠子場 的質量[ 62] 量子色動力學束縛能 （QCBE）——就是它為強子提供了這麼多的質量（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 ；其餘大部份質量都可以歸咎於膠子的QCBE[ 63] [ 64]
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 有關係。頂夸克有着很大的質量，一個頂夸克大約跟一個金原子核一樣重（~171 GeV/c2 ）[ 63] [ 65] [ 66]
下表總結了六種夸克的關鍵性質。每種夸克味都有自己的一組味量子數 （同位旋 （I 3 ）、魅數 （C ）、奇異數 （S ）、頂數 （T ）及底數 （B ′）），它們代表着夸克系統及強子的一些特性。因為重子由三個夸克組成，所以所有夸克的重子數 （B ）均為+1 ⁄3 Q ）及其他味量子數（B 、I 3 、C 、S 、T 及B ′）都跟夸克的差一個正負號。質量和總角動量 （J ；相等於點粒子的自旋）不會因為反粒子而變號。
夸克 按其特性分为三代，如下表所示：
夸克味的性質 [ 63]
名稱
符號
質量（MeV/c 2 ）*
J
B
Q
I 3
C
S
T
B′
反粒子
反粒子符號
第一代 上
1.7 to 3.3
1 ⁄2 +1 ⁄3
+2 ⁄3
+1 ⁄2
0
0
0
0
反上
u
下
4.1 to 5.8
1 ⁄2 +1 ⁄3
−1 ⁄3
−1 ⁄2
0
0
0
0
反下
d
下一代
第二代 粲
7003127000000000000♠ 1270+70 1 ⁄2 +1 ⁄3
+2 ⁄3
0
+1
0
0
0
反粲
c
奇
7002101000000000000♠ 101+29 1 ⁄2 +1 ⁄3
−1 ⁄3
0
0
−1
0
0
反奇
s
下一代
第三代 頂
7005172000000000000♠ 172000 ± 9001 ⁄2 +1 ⁄3
+2 ⁄3
0
0
0
+1
0
反頂
t
底
7003419000000000000♠ 4190+180 1 ⁄2 +1 ⁄3
−1 ⁄3
0
0
0
0
−1
反底
b
J = 總角動量 、B = 重子數 、Q = 電荷 、I 3 = 同位旋 , C = 魅數 、S = 奇異數 、T = 頂數 及B ′ = 底數 。7003419000000000000♠ 4190+180 量測不確定度 。以頂夸克為例，第一個不確定度是自然中的隨機 ，第二個是系統的 。註：每一味夸克都具有紅、綠及藍三種色的版本，但對上表所列的性質而言，三種版本都一樣，故不列出。
就像量子色動力學 所描述的，夸克間的強相互作用 由膠子傳遞，膠子是無質量的向量 規範玻色子 。每一個膠子帶有一種色及一種反色。在粒子相互作用的標準框架下（它是通用表述微擾理論 的一部份），膠子通過發射與吸收虛粒子 ，不斷在夸克間進行交換。當膠子在夸克間轉換時，兩者的色荷都會改變；例如一紅夸克在發射出一紅－反綠膠子後，它就會變成綠夸克，又例如一綠夸克在吸收了一紅－反綠膠子，它就會變成紅夸克。因此，儘管夸克的色不斷在變，但是它們間的強相互作用是維持着的[ 67] [ 68] :45-47 [ 69] :85 。
由於膠子帶色荷，所以它們自己能發射及吸收其他膠子。因此導致“漸近自由 ”：當兩個夸克間的距離愈來愈近時，它們之間的色動束縛力就愈來愈弱[ 69] :400ff 。相反地，當夸克間的距離愈來愈遠時，束縛力就愈來愈強。色場開始受到“應力”影響而不穩定，就像橡皮筋拉長時受應力 影響而快斷開一樣，於是色場就會自發地生成許多合適色荷的膠子，來強化色場。當能量過了一個底限時，就會開始生成 夸克和反夸克對。這些對與分離中的夸克束縛在一起，形成新的強子。這個現象叫“夸克禁閉 ”：夸克不能單獨存在[ 68] :295–297 [ 70] 強子化 [ 71]
除影響量子數 的價夸克 （(虛 夸克－反夸克對（q 湮滅 時，會產生一個膠子 。於是膠子就會持續地分裂與生成，形成所謂的“海”[ 72] [ 73]
夸克物质的性质描述相图 。图中准确的细节，仍是进行中的研究课题[ 74] [ 75] 在足夠極端的條件下，夸克可能會脫離禁閉，成為自由粒子。在漸近自由 的演變下，高溫時的強相互作用變得較弱。最後，色禁閉會失效，形成一股超熱電漿體 ，由自由移動的夸克與膠子組成。這種物質的理論相叫夸克－膠子漿 [ 76] 7012190000000000000♠ (1.90± 0.02)× 1012 開爾文 [ 77] 歐洲核子研究組織 在1980年代至90年代間嘗試過許多次），但是在相對論性重離子對撞機 的近期實驗中，有證據指出像液體的夸克物質，能展示出“近乎完美”的流體運動 [ 78]
夸克－膠子漿的特點是，相對於上及下夸克對的數量，重夸克對的數量大幅提昇。宇宙學家們相信，在大霹靂 後10−6 秒之前（夸克時期 ），宇宙裏充滿着這種夸克－膠子漿，因為當時的溫度實在太高，重子會不穩定[ 79]
當重子密度足夠高時，且溫度相對地低——大概可以跟中子星 相比的條件——根據理論預測，夸克物質會退化成一弱作用夸克的費米液體 。這種液體的特點是，它是由帶色夸克的庫珀對 凝聚而成的，因此會對局部SU(3)c 對稱性造成破缺 。由於庫珀對含有色荷，所以這樣的一種夸克物質相，叫色超導體 [ 80]
^ 2000年代初，有幾個研究小組聲稱，已證實了四夸克粒子與五夸克粒子的存在。儘管四夸克粒子的情況目前仍在爭論中，但是所有五夸克候選粒子都已被證實不存在。
^ 主要證據是基於0 共振寬度 ，它限制了第四代中微子的質量，此時質量需要大於~7001450000000000000♠ 45 GeV/c 2 7000200000000000000♠ 2 MeV/c 2
^ 在弱相互作用下的一個反應中，當左右被逆轉（P對稱 ），且粒子被換成反粒子（C對稱）後，CP破壞會使這個反應的前後不一樣。
^ 從一夸克衰變至另一夸克的實際概率，是一個包含衰變夸克質量、衰變產物 質量及對應CKM矩陣元等變數的複雜函數。該概率與CKM矩陣對應項(|V ij 2 ) 的平方成正比（但不相等）。
^ 儘管名字中有顏色，色荷跟可見光的色譜並沒有關係。
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關於同名瀏覽器，請見夸克瀏覽器。
