魅夸克

魅夸克（Charm Quark）
組成	基本粒子
系	費米子
代	第二
基本交互作用	強交互作用，弱交互作用，電磁交互作用，重力交互作用
符號	; c;
理論	格拉肖，李爾普羅斯，梅安尼（1970年）
發現	里克特團隊（1974年）; 丁肇中團隊（1974年）;
質量	1.275+0.025; −0.035 GeV
衰變粒子	奇夸克（~95%）; 下夸克（~5%）;
電荷	+2/3e
色荷	Yes
自旋	1/2

在粒子物理學的標準模型裡有六種夸克，魅夸克（charm quark，中國大陸譯c夸克，中國大陸又稱粲夸克^{[註 1]}）是其中一種，其它五種分別為上夸克、下夸克、奇夸克、頂夸克、與底夸克。魅夸克的符號為
c
。魅夸克的反粒子被稱為「反魅夸克」。^[5]^:49

魅夸克與奇夸克是第二代夸克的成員，魅夸克的質量為6990204277502092499♠1.275+0.025
−0.035 GeV，電荷為+2/3 e。^[1]如同其它夸克，魅夸克是一種自旋為1/2的費米子，會感受到所有四種交互作用：重力交互作用、電磁交互作用、弱交互作用、強交互作用。在很多種強子裡都含有魅夸克，例如，D介子、粲Σ重子等。

1970年，哈佛大學物理教授謝爾登·格拉肖和他的兩個博士後約翰·李爾普羅斯、盧西恩·梅安尼預測魅夸克存在。魅夸克和它的反粒子可以組成J/ψ介子，其在1974年分別由布魯克海文國家實驗室的丁肇中和史丹佛直線加速器中心的伯頓·里克特分別獨立發現。在粒子物理學歷史上，這發現被稱為「十一月革命」。

歷史

理論預測

1964年，謝爾登·格拉肖與詹姆斯·比約肯猜測，除了上夸克、下夸克和奇夸克以外，還存在有第四種夸克。這是因為在輕子與夸克之間有些奇特奧妙的相似之處：已發現的輕子有四種，分別為電子、電微中子、緲子、緲微中子，而已發現的夸克有三種，分別為上夸克、下夸克、頂夸克，為什麼有四種輕子，但只有三種夸克，假若有四種夸克，那豈不是更美好？^[5]^:42-43他們還特別給這假定存在的夸克取名為「魅夸克」。^[6]^:200然而，它們的猜測並未受到重視，因為缺乏實驗支持。^[7]^:345按照在那時期的主流理論，
K0
應該會通過發射中性Z玻色子，在過程中改變粒子的奇異數，從而製成
μ−
與
μ+
，這過程稱為味改變的中性流（英語：flavor changing neutral current）過程。可是，已經十年了，仍舊沒有任何實驗找到這衰變過程的蹤跡，不知道為甚麼這過程被壓抑地異常罕見。

關於魅夸克存在的理論預測歸功於格拉肖、李爾普羅斯、梅安尼。^[8]^:247-248他們在1970年提出了GIM機制，其通過引入第四種夸克來壓抑味改變的中性流過程。
K0
可以通過發射中性Z玻色子變換成
μ−
與
μ+
，也可以通過發射中性Z玻色子變換成粲粒子，由於這兩種衰變路徑相互抵消，因此導致中性流過程被壓抑。^[8]^:250 。格拉肖對於魅夸克理論非常有信心，他在一場於1974年舉辦的國際會議裡誓言，如果在兩年內未找到魅夸克，他就會把他的帽子吃掉！^[6]^:202^[8]^:266

實驗發現

1974年11月11日，布魯克海文國家實驗室的丁肇中實驗團隊和史丹佛直線加速器中心的伯頓·里克特實驗團隊分別獨立發現J/ψ介子。^[7]^:346丁肇中實驗團隊做實驗將高能量質子朝著鈹標靶射擊，在碰撞產物中，尋找正負電子對，從研究這些粒子對，可以推斷出母粒子的性質。1974年9月它們找到總能量為3.1GeV的正負電子對出現頻率非常多，這意味著一種帶質量的新粒子被大規模製成。丁肇中做實驗非常小心謹慎，學術名譽甚佳，不願意發表任何錯誤結果，由於尚未能確定這實驗結果不是某種錯誤電子信號。之後幾周，丁肇中祕密地分析核對他的實驗數據，為了要確定這結果是否屬實，並且不讓其他研究團隊搶奪頭功。^[6]^:1

在史丹佛直線加速器中心，里克特實驗團隊設計與建成了一種新型對撞機，史丹佛正負電子非對稱環（英語：Stanford Positron Electron Asymmetric Rings）（SPEAR），在這對撞機裡，電子與正電子以相反方向轉動與碰撞。^[9]11月10日，他們在3.105GeV找到很多粒子被製成的事件，意味著一種新粒子被發現，他們將這粒子命名為「ψ介子」，並且決定明日發布這消息。那日，丁肇中恰巧要去SLAC 開會，他知悉里克特實驗團隊發現新粒子的消息後，立刻決定也將自己團隊的發現公諸於世，並且將這粒子命名為「J介子」。^[8]^:272

11月11日早上8點鐘，丁肇中與里克特在SLAC實驗室主任沃爾夫岡·帕諾夫斯基的辦公室會面，經過一番溝通後，才搞清楚他們發現的新粒子是同樣一種粒子，儘管他們使用不同的方法。^[6]^:5-6他們立刻將他們的實驗結果分別寫成兩份報告，發表在《物理評論快報》的12月份期刊。 J/ψ介子的發現在粒子物理學裡引起一場小革命，後來被稱為「十一月革命」，^[6]^:6因為J/ψ介子被視為是間接展現出魅夸克的存在，實際而言，魅夸克與反魅夸克共同組成了J/ψ介子，換句話說，十一月革命發現了魅夸克，其意味著量子色動力學與夸克模型理論並不是紙上空談，由於魅夸克的發現，強子被證實是由夸克組成。^[7]^:346

注釋

^ 在2019年由中華人民共和國全國科學技術名詞審定委員會公布的《物理學名詞》中，「粲夸克」為非推薦名^[4]。

參考文獻

^ ^1.0 ^1.1 M. Tanabashi et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics. Physical Review D. 2018, 98 (3): 030001 [2019-07-23]. doi:10.1103/PhysRevD.98.030001. （原始內容存檔於2021-03-22）.
^ R. Nave. Transformation of Quark Flavors by the Weak Interaction. [2010-12-06]. （原始內容存檔於2017-07-09）. The c quark has about 5% probability of decaying into a d quark instead of an s quark.
^ K. Nakamura et al. (Particle Data Group); et al. Review of Particles Physics: The CKM Quark-Mixing Matrix (PDF). Journal of Physics G. 2010, 37 (75021): 150 [2019-07-23]. Bibcode:2010JPhG...37g5021N. doi:10.1088/0954-3899/37/7a/075021. （原始內容存檔 (PDF)於2018-07-14）.
^ 物理學名詞審定委員會．物理學名詞 [S/OL]．全國科學技術名詞審定委員會,公布. 3版．北京：科學出版社, 2019: 374. 科學文庫.
^ ^5.0 ^5.1 Griffiths, David J., Introduction to Elementary Particles 2nd revised, WILEY-VCH, 2008, ISBN 978-3-527-40601-2
^ ^6.0 ^6.1 ^6.2 ^6.3 ^6.4 Barnett, R. Michael; Muehry, Henry; Quinn, Helen, The Charm of Strange Quarks: Mysteries and Revolutions of Particle Physics illustrated, Springer Science & Business Media, 2013, ISBN 9780387215341
^ ^7.0 ^7.1 ^7.2 Kragh, Helge. Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century Reprint. Princeton University Press. 2002. ISBN 978-0691095523.
^ ^8.0 ^8.1 ^8.2 ^8.3 Baggott, Jim, The Quantum Story: A History in 40 Moments illustrated, reprint, OUP Oxford, 2011, ISBN 9780199566846
^ Soliday, Amanda, The November Revolution, Symmetry, 2014, （原始內容存檔於2019-03-11）

[5] 在2019年由中華人民共和國全國科學技術名詞審定委員會公布的《物理學名詞》中，「粲夸克」為非推薦名^[4]。

[PDG2018-1] 1.0 ^1.1 M. Tanabashi et al. (Particle Data Group). Review of Particle Physics. Physical Review D. 2018, 98 (3): 030001 [2019-07-23]. doi:10.1103/PhysRevD.98.030001. （原始內容存檔於2021-03-22）.

[hyperphysics-2] R. Nave. Transformation of Quark Flavors by the Weak Interaction. [2010-12-06]. （原始內容存檔於2017-07-09）. The c quark has about 5% probability of decaying into a d quark instead of an s quark.

[PDG2010_CKM-3] K. Nakamura et al. (Particle Data Group); et al. Review of Particles Physics: The CKM Quark-Mixing Matrix (PDF). Journal of Physics G. 2010, 37 (75021): 150 [2019-07-23]. Bibcode:2010JPhG...37g5021N. doi:10.1088/0954-3899/37/7a/075021. （原始內容存檔 (PDF)於2018-07-14）.

[4] 物理學名詞審定委員會．物理學名詞 [S/OL]．全國科學技術名詞審定委員會,公布. 3版．北京：科學出版社, 2019: 374. 科學文庫.

[Griffiths2008-6] 5.0 ^5.1 Griffiths, David J., Introduction to Elementary Particles 2nd revised, WILEY-VCH, 2008, ISBN 978-3-527-40601-2

[Barnett-7] 6.0 ^6.1 ^6.2 ^6.3 ^6.4 Barnett, R. Michael; Muehry, Henry; Quinn, Helen, The Charm of Strange Quarks: Mysteries and Revolutions of Particle Physics illustrated, Springer Science & Business Media, 2013, ISBN 9780387215341

[Kragh2002-8] 7.0 ^7.1 ^7.2 Kragh, Helge. Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century Reprint. Princeton University Press. 2002. ISBN 978-0691095523.

[Baggott-9] 8.0 ^8.1 ^8.2 ^8.3 Baggott, Jim, The Quantum Story: A History in 40 Moments illustrated, reprint, OUP Oxford, 2011, ISBN 9780199566846

[10] Soliday, Amanda, The November Revolution, Symmetry, 2014, （原始內容存檔於2019-03-11）

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