向麦克老人五呼夸克！
1964年，美国物理学家盖尔曼和茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克（quark）组成的。夸克一词是取自詹姆斯·乔伊斯的《芬尼根守灵夜》的词句：“向麦克老人三呼夸克！”
夸克互相结合，形成一种复合粒子，叫强子（Hadron），强子又包括重子（Baryon）和介子（Meson）。标准模型中的复合粒子，要么是由三个夸克组成的的重子，比如质子和重子，要么是由一个夸克和一个反夸克组成的介子。
从标准模型里，我们知道夸克有六种味，根据他们的质量大小排列。最轻的两种夸克是上（up）、下（down）夸克，上和下夸克一般来说很稳定，所以它们在宇宙中很常见。质量居中的是粲（charm）和奇（strange）夸克，它们通常会迅速的衰变成上或下夸克。最重的则是底（bottom）和顶（top）夸克，它们只能经由高能粒子的碰撞产生（例如宇宙射线和粒子加速器）。六种夸克都有自己的反夸克。
标准模型的所有粒子，还应该包括一个希格斯玻色子。红色区域就是夸克，质量从左到右递增。图片来源：Fermi lab
盖尔曼也提到，可能存在奇特类型的粒子，比如在介子或重子中加入一对正反夸克形成四夸克介子或五夸克重子。事实上我们已经找到了由两个夸克和两个反夸克组成的四态夸克（Tetraquarks）。然后就在今年七月份，欧洲粒子研究中心（CERN）的科学家在大型强子对撞机（LHCb）中的高能质子对撞碎片里，甚至找到了五夸克的确凿证据。
为了找到五夸克的踪影，科学家研究了LHCb内质子碰撞产生的Λb粒子的衰变。他们测量了两种衰变产物（一种是质子，另一种是由粲夸克和其反夸克组成的J/ψ介子）的复合能量，并记录了在所研究的数千次碰撞中，它们达到每一个能量值的次数分别是多少。科学家发现，粒子复合能量在某一个特定数值附近出现的频率高于随机值。根据爱因斯坦的质能方程，这个能量代表着一个由两个上夸克、一个下夸克、一个粲夸克和一个反粲夸克组成的“粲素”（Charmonium）五夸克粒子。
新的五夸克在LHCb实验中被发现。该图显示了五夸克的两种组合的可能性，左边是五个夸克紧紧的束缚在一起，右边则是由两个夸克束缚在一起形成的介子（蓝色球）和三个夸克束缚在一起形成类似质子和种子的结构。图片来源：APS/Carin Cain
科学家还不能确定，五态夸克的内部构造。有两种可能的排列：一种是五个夸克构成的紧密统一体，另一种则是由一个重子和一个介子相互构成一个类似于分子的结构。不管哪一种排列，五夸克或许是我们解开强核力的一把密匙。而且新发现也可以让我们对恒星的组成和演化，以及中子星有更深刻的了解。
强核力是一种把原子核内的质子和种子，更重要的是组成它们的夸克，牢牢地束缚在一起的力，是四种基本力之一。在强核力的霸道制裁之下，我们从未观测过一个单独的自由夸克，所有的夸克都被紧紧禁闭在重子内。那么，我们有没有可能找到单独的夸克呢？
其实，答案或许是有的。在宇宙中有一种特别的星体，是恒星演化的最后产物之一——中子星。中子星是宇宙中密度最高的天体之一，仅仅一勺的中子星物质，其质量都会超过整个月球。在一个典型的中子星内，由于引力压力是如此的大，电子和质子将不复存在，电子被压到原子核内，同质子中和为中子。物理学家进一步推测，在中子星中心高密度状态下，或许中子会被“压碎”出现夸克成分。因此，在中子星内部可能会出现奇异夸克物质（奇异夸克是由上、下和奇异夸克构成的）。在20世纪80年代，物理学家Witten在前人的研究基础上进一步指出，奇异夸克物质很可能比铁56原子核更稳定。如果这个猜想成立，夸克星就比中子星更稳定；就有可能存在全部由奇异夸克物质组成的天体——夸克星。
中子星和夸克星的区别，图片来源：Chandra
科学家相信，对五夸克物理性质的了解，或许能帮助我们进一步揭示在如此极端的环境下强核力是怎么运作的。对强核力的理解并不仅限于在中子星内，或许也能帮助我们找到大爆炸后几分之一秒内发生的情况。经过两年的修正，LHC于4月重启，并以原来双倍的能量在运行。相信科学家或许还能从接下来的数据中找到其他不同质量以及不同种类的五夸克粒子。
— Three quarks for Muster Mark —
原理 PRINCIPIA
科学，照亮黑暗的蜡烛