基本介紹
種類,特性,提出,名稱來源,分類,模型發展歷史,抽象概念,延伸發展,性質,電荷,自旋,弱相互作用,強相互作用與色荷,質量,性質列表,發現研究,發現過程,機遇,提出者,推斷假設,建立模型,證明,
種類
目前，我們已知的夸克有六種。夸克的種類被稱為“味”，它們是上（u）、下（d）、奇（s）、粲（c）、底（b）及頂（t）。上及下夸克的質量是所有夸克中最低的。較重的夸克會通過一個叫粒子衰變的過程，來迅速地變成上或下夸克。粒子衰變是一個從高質量的態變成低質量態的過程。就是由於這個原因，上及下夸克一般來說很穩定，所以它們在宇宙中很常見，而奇、粲、頂及底則只能經由高能粒子的碰撞產生（例如宇宙射線及粒子加速器）並很快衰變。
特性
夸克有著多種不同的內在特性，包括電荷、色荷、自旋及質量等。在粒子物理的標準模型中，夸克是唯一一種能經受全部四種基本相互作用（電磁、引力、強相互作用及弱相互作用）的基本粒子。另外，夸克也是現在已知唯一一種基本電荷為非整數的粒子。夸克的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符號不同。
由夸克構成的強子根據其自旋可以分為重子（自旋為半奇數）和介子（自旋為整數）。所有的重子，比如質子和中子，都是由三個夸克組成的（反重子則是由三個反夸克組成的）。質子由兩個上夸克和一個下夸克組成，中子是由兩個下夸克和一個上夸克組成。而所有的介子都是由一對正–反夸克構成。
提出
上世紀5、60年代實驗上觀測到200多個強子。因此，探索如此大數目強子可能的內部結構並建立它們的“元素周期表”成為當時粒子物理學家思考的問題。正是這些探索導致了夸克概念的提出。早在1949年，費米（E. Fermi）和楊振寧（C. N. Yang）首先嘗試用質子和反質子、中子和反中子等來解釋π介子。但費米–楊模型不能很好地解釋奇異粒子，因為p和n都不是奇異粒子，所以由它們也就不可能構成奇異粒子。接著，日本物理學家坂田昌一（S. Sakata）提出了強子的複合模型。該模型認為所有強子都由三種更為“基本”的粒子所構成，這三種基本粒子是質子、中子和一種奇異粒子亦即Λ粒子。坂田模型在解釋強相互作用粒子或又稱為強子中的介子家族（如π、Κ）的分類和有關性質上是高度地獲得成功的。但是，將坂田模型套用於研究強子中的重子家族，其結果卻不很理想。基於當時的一些進展，1964年，美國物理學家默里·蓋爾曼和喬治·茨威格各自獨立提出了強子的夸克模型。在這一模型中子、質子這一類強子是由更基本的單元—quark組成的。它們具有分數電荷，是基本電量的+2/3或-1/3倍，自旋為1/2。其空間尺度是微觀粒子中最小的，大約小於10的-19次方米。在最初的夸克模型中，用上、下和奇這三種夸克及其反粒子就可以解釋當時已發現的強子並且預言了Ω並很快沒實驗所觀測到。夸克模型在建立之初並沒有什麼能證實夸克存在的物理證據，直到1968年SLAC開發出深度非彈性散射實驗為止。目前，實驗上已經觀測到六味夸克，而最早於1995年在費米實驗室被觀測到的頂夸克，是最後發現的一種。
名稱來源
夸克一詞是蓋爾曼取自詹姆斯·喬伊斯的小說《芬尼根的守靈夜》的詞句“向麥克老人三呼夸克（Three quarks for Muster Mark）”。無非是指一個質子中有三個夸克。另外夸克在該書中具有多種含義，其
中之一是一種海鳥的叫聲。他認為，這適合他最初認為“基本粒子不基本、基本電荷非整數”的奇特想法，同時他也指出這只是一個笑話，這是對矯飾的科學語言的反抗。另外，也可能是出於他對鳥類的喜愛。
由二個上夸克及一個下夸克所構成的質子
由二個上夸克及一個下夸克所構成的質子向麥克老大三呼夸克！
——《芬尼根守靈夜》，詹姆斯·喬伊斯
蓋爾曼在其著作《夸克與美洲豹》中，更詳細地述說了夸克這個詞的由來：
在1963年，我把核子的基本構成命名為“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《芬尼根守靈夜》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”，那么我要它讀“郭克”也不是完全沒根據。再怎么樣，字句里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。很多中國物理學家則稱夸克為“層子”，在台灣地區亦曾翻譯“虧子”，但並不普遍使用。
夸克味的命名都是有原因的。上夸克和下夸克被這樣叫是源於同位旋的上、下兩個分量，而它們確實各自帶有這樣一個量。奇夸克這個名字是因為它們是在宇宙射線的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。粲夸克的命名主要是來自美妙的對稱性而得名。跟比約肯（James D. Bjorken）一起提出粲夸克的格拉肖（Sheldon L. Glashow）說過：“我們把它叫粲夸克是因為在構建它的過程中見到它為亞原子世界所帶來的對稱。我們被這種美迷住了，對成果感到很滿意。”至於“頂”和“底”這兩個名字，哈拉里（Haim Harari）決定這樣做，是因為“它們是上夸克和下夸克邏輯上的夥伴”。以前，底夸克和頂夸克有時會分別被叫作“美”夸克和“真”夸克（它們用英文字母表示都為“b”和“t”，但這兩個名字已經很少人會用了。
分類
參見：粒子物理標準模型
在強子中決定量子數的夸克叫“價夸克”。除了這些價夸克，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。強子分兩種：帶三個價夸克的重子，及帶一個價夸克和一個反價夸克的介子。最常見的重子是質子和中子，它們是構成原子核的基礎材料。我們已經知道有很多不同的強子，它們的不同點在於其所含的價夸克及這些內含物所賦予的性質。而含有更多價夸克的“奇特強子”，如四夸克粒子（qqqq）及五夸克粒子（qqqqq），目前仍在理論階段。儘管實驗上已有跡象表明其存在，但是它們的存在仍未被最終證實。
（圖片解釋：標準模型中的粒子有六種是夸克（圖中用紫色表示）。左邊的三列中，每一列構成物質的一代。）
基本費米子被分成三代，每一代由兩味輕子和兩味夸克組成。第一代有上及下夸克，第二代有奇及粲夸克，而第三代則有頂及底夸克。過去所有搜尋第四代基本粒子的研究均以失敗告終，又存在有力的間接證據支持不會有超過三代。代數較高的粒子，一般會有較大的質量及較低的穩定性，於是它們會通過弱相互作用，衰變成代數較低的粒子。在自然中，只有第一代夸克（上及下）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，科學家們相信宇宙起源極早期會存有重夸克，那時宇宙處於溫度及密度極高的狀態（夸克—膠子電漿時期）。目前，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。
由於同時擁有電荷、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。對於個別粒子的相互作用而言，除非是在極端的能量（普朗克能量）及距離尺度（普朗克距離）下，引力實在是小得微不足道。另外，由於現時仍沒有成功的量子引力理論，所以粒子物理的標準模型並不包含引力。最近，吳岳良發展引力量子場論將引力與電磁、弱和強三種基本相互作用放在平等的地位處理，並在量子場論框架下進行統一描述。
關於六種夸克味更完整的概述，可見於下文中的列表。
模型發展歷史
抽象概念
夸克模型於1964年由物理學家蓋爾曼和茨威格獨立提出。在這個提案前不久的1961年，蓋爾曼提出了一種粒子分類系統，叫“八重態”—或技術上應叫SU(3)味對稱。以色列物理學家尤瓦勒·內埃曼（Yuval Ne'eman）在同年亦獨立地開發出一套跟八重態相近的理論
在夸克理論提出之前，當時的“粒子動物園”除了其它各種輕子，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。初時物理學界對於這份提案的意見不一，學界對於夸克的本質有所爭論。有的認為夸克是物理實體，有的則認為，它只是用來解釋當時未知物理的抽象概念而已。
延伸發展
在夸克模型提出後的一年之內，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（Sheldon L. Glashow）和詹姆斯·布約肯（James Bjorken）預測有第四種夸克存在，他們把它叫做“粲”。加上第四種夸克的原因有三：首先、能更好地描述弱相互作用（導致夸克衰變的機制）；其次、夸克的數量會變得與當時已知的輕子數量一樣；最後、能產生一條質量方程，可以計算出已知介子的質量。
斯坦福線性加速器中心（SLAC）的深度非彈性散射實驗在1968年指出，質子含有比自己小得多的點狀物，因此質子並非基本粒子。物理學家當時並不願意把這些物體視為夸克，反而叫它們做“部分子”（parton）—一個由理察·費曼（Richard Phillips Feynman）所創造的新詞。隨著更多味的發現，在SLAC所觀測到的粒子後來被鑑定為上及下夸克。不過，“部分子”一詞到現在還在使用，是強子構成物（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，而且還解釋了1947年從宇宙射線中發現的K介子和π介子。
在1971年的一份論文中，格拉肖、約翰·李爾普羅斯（John Iliopoulos）和盧奇亞諾·馬伊阿尼（Luciano Maiani）一起對當時尚未發現的粲夸克，提出更多它存在的理據。到1973年，小林誠（Makoto Kobayashi）和益川敏英（Toshihide Maskawa）指出再加一對夸克，就能解釋實驗中觀測到的CP破壞，於是夸克應有的味被提升到現時的六種。
粲夸克在1974年被兩個研究小組幾乎同時發現：一組在SLAC，由伯頓·里克特（Burton Richter）領導；而另一組則在布魯克黑文國家實驗室，由丁肇中（Samuel Chao Chung Ting）領導。觀測到的粲夸克在介子裡面，與一個反粲夸克束縛在一起。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子叫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。
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（Haim Harari）在1975年的論文中，最早把加上的夸克命名為“頂”及“底”。
底夸克在1977年被利昂·萊德曼（Leon Lederman）領導的費米實驗室研究小組觀測到。這是一個代表頂夸克存在的有力徵兆：沒有頂夸克的話，底夸克就沒有伴侶。然而實驗上一直都沒有觀測到頂夸克，直至1995年，終於被費米實驗室的CDF 及DØ小組觀測到。它的質量比之前預料的要大得多—幾乎跟金原子一樣重。
性質
電荷
夸克的電荷值為分數—基本電荷的+2⁄3倍或-1⁄3倍，隨味而定。上、粲及頂夸克（這三種叫“上型夸克”）的電荷為+2⁄3，而下、奇及底夸克（這三種叫“下型夸克”）的電荷則為−1⁄3。反夸克與其所對應的夸克電荷相反：上型反夸克的電荷為−2⁄3，而下型反夸克的電荷則為+1⁄3。由於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。例如，組成原子核的強子—中子和質子—其電荷分別為0及+1。中子由兩個下夸克和一個上夸克組成，而質子則由兩個上夸克和一個下夸克組成。
自旋
弱相互作用
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，它的發現原於對原子核β衰變的研究。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，一個中子（n）“分裂”成一個質子（p）、一個`電子（e）及一個反電子中微子（`νe）（見右圖）。在β衰變發生時，中子（udd）內的一個下夸克在釋放一個虛W玻色子後，隨即衰變成一個上夸克，於是中子就變成了質子（uud）。隨後W玻色子衰變成一個電子及一個反電子中微子。
n | à | p | + | e- | + | `νe | β衰變,重子標記 |
udd | à | uud | + | e- | + | `νe | 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套用，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套用，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矩陣的元的大小決定。
儘管所有夸克的變味過程都一樣，但是每一種夸克都偏向於變成跟自己同一代的另一夸克。所有變味的這種相對趨勢，都是由一個數學表來描述，叫卡比博（Cabbibo）-小林（Kobayashi）-益川（Maskawa）矩陣（CKM矩陣）。CKM矩陣內所有數值的大約大小如下：
其中Vij代表一夸克味i變成夸克味j（反之亦然）的可能性。
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（Pontecorvo）-牧（Maki）-中川（Nakagawa）-坂田（Sakata）矩陣（PMNS矩陣）。PMNS矩陣及CKM矩陣合起來能夠描述所有味變，但兩者間的關係並不明朗。
強相互作用與色荷
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”。每一種色荷都有其對應的反色荷—“反藍”、“反綠”及“反紅”。每一個夸克都帶一種色，而每一個反夸克則帶一種反色。
掌管夸克之間相互作用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。下文中將對膠子做更詳細的討論。描述強相互作用的理論叫量子色動力學（QCD）。一個帶有某種色荷的夸克，可以和一個帶對應反色荷的反夸克，一起生成一個束縛系統；三個（反）色荷各異的（反）夸克，也就是三種色各取一種，同樣也可以束縛在一起形成束縛態。兩個互相吸引的夸克會得到色中性：一個夸克帶色荷ξ與一個帶色荷−ξ的反夸克結合後形成色荷為零（或“白”色）的無色介子。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，成為一個無色的重子或反重子。
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局域對稱群（見規範場論）。色對稱性SU(3)（一般簡寫成SU(3)c）是夸克色荷的規範對稱群，也是描述量子色動力學的對稱群。物理學定律不受空間方向（如x、y及z）所限，即使坐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）。每一種夸克味f下面都有三種小分類fB、fG和fR，對應三種夸克色--藍、綠和紅。它們形成一個三重態：一個有三個分量的量子場，並且在變換時遵從SU(3)c的基礎表示。這個時候SU(3)c應是局部的。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，尤其是有八種載力的膠子這一點。
質量
在提及夸克質量時，需要用到兩個詞：一個是“夸克質量”（對輕夸克也稱為“流夸克質量”），即在電弱對稱破缺後夸克獲得的質量；另一個是“組份夸克質量”，它是夸克質量加上其周圍膠子場強作用而形成的質量（對於輕夸克，它是流夸克質量加上膠子場強相互作用產生動力學對稱破缺後獲得的質量。這兩個質量的數值一般相差甚遠。一個強子中的大部份的質量都屬於把夸克束縛起來的膠子，而不是夸克本身。儘管膠子的質量為零，它們擁有相互作用能—更準確地說應為量子色動力學產生的束縛能—就是它把夸克結合成強子所提供的能量。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強相互作用產生的束縛能。
標準模型假定所有基本粒子的質量都是來自希格斯（Higgs）機制的對稱破缺，而這個機制跟在2013年被歐洲核子研究中心確定發現的希格斯玻色子有關係。頂夸克有著很大的質量，一個頂夸克大約跟一個金原子核一樣重（~173 GeV/c2），而透過研究為什麼頂夸克的質量那么大，物理學家希望能找到更多有關夸克及其他基本粒子的質量來源。
性質列表
下表總結了六種夸克的主要性質。每種夸克味都有自己的一組味量子數（同位旋（I3）、粲數（C）、奇異數（S）、頂數（T）及底數（B′）），它們代表著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。反夸克的情況，其電荷（Q）及其它味量子數（B、I3、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。
名稱 | 符號 | 質量(MeV/c2) | J | B | Q | I3 | C | S | T | B′ | 反粒子 |
上 | u | 1.7 –3.3 | 1/2 | +1/3 | +2/3 | +1/2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 反上 |
下 | d | 4.1 –5.8 | 1/2 | +1/3 | -1/3 | -1/2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 反下 |
粲 | c | 1,270+70-90 | 1/2 | +1/3 | +2/3 | +1 | 0 | 0 | 0 | 反粲 | |
奇 | s | 101+29-21 | 1/2 | +1/3 | -1/3 | 0 | -1 | 0 | 0 | 反奇 | |
頂 | t | 172,000+900-1,300 | 1/2 | +1/3 | +2/3 | 0 | 0 | +1 | 0 | 反頂 | |
底 | b | 4,190+180-60 | 1/2 | +1/3 | -1/3 | 0 | 0 | 0 | -1 | 反底 |
發現研究
目前，人們相信1995年發現的第六種“頂夸克”是最後一種夸克。它的發現令科學家得出有關夸克的完整圖像，有助研究在宇宙大爆炸之初少於一秒之內宇宙如何演化，因為大爆炸最初產生的高熱會產生頂夸克粒子。
夸克理論認為，夸克都是被囚禁在粒子內部的，不存在單獨的夸克。一些人據此提出反對意見，認為夸克不是真實存在的。然而夸克理論做出的幾乎所有預言都與實驗測量符合的很好，因此大部分研究者相信夸克理論是正確的。
1997年，俄國物理學家戴阿科諾夫（D. Diakonov）等人預測，存在一種由五個夸克（pentaquark）組成的包含奇夸克的粒子，質量比氫原子大50%。2001年，日本物理學家在SP環－8加速器上用伽馬射線轟擊一片塑膠時，發現了五夸克粒子存在的證據。隨後得到了美國托馬斯·傑裴遜國家加速器實驗室和莫斯科理論和實驗物理研究所的物理學家們的證實。這種五夸克粒子是由2個上夸克、2個下夸克和一個反奇異夸克組成的，它並不違背粒子物理的標準模型。這是第一次發現多於3個夸克組成的粒子。研究人員認為，這種粒子可能僅是“五夸克”粒子家族中第一個被發現的成員，還有可能存在由4個或6個夸克組成的粒子。儘管在這之後有其它的幾個實驗組宣稱發現了pentaquark的證據。但是越來越多地高能的實驗組及其數據中，包括使用輕子對撞器如德國 DESY 的 ZEUS 實驗，以及日本 KEK 的 Belle 與美國 SLAC 的 BaBar 兩大 B介子工廠實驗、以及使用強子對撞器的美國費米實驗室中的 CDF 與 DÆ實驗，都沒有觀測到應該存在的證據。綜合目前的實驗進展，含有奇夸克的五夸克態存在的可能性已經非常小。春天八號（Spring-8）計畫再次提升其效能，獲取更大量的實驗數據，來進行統計上的確認。儘管含有奇夸克的五夸克態存在的可能性很低，但是最近LHCb合作組的分析表明含有一對正反粲夸克的五夸克態的存在性非常大。
發現過程
機遇
19世紀接近尾聲的時候，瑪麗·居里（Marie Curie）打開了原子的大門，證明原子不是物質的最小粒子。很快科學家就發現了兩種亞原子粒子：電子和質子。1932年，詹姆斯·查德威克（James Chadwick）發現了中子，這次科學家們又認為發現了最小粒子。
20世紀30年代中期發明了粒子加速器從而有能力將帶電帶電粒子加速到及高能量進行碰撞。20世紀50年代，唐納德·格拉澤（Donald Glaser）發明了“氣泡室”，將亞原子粒子加速到接近光速，然後拋出這個充滿氫氣的低壓氣泡室。這些粒子碰撞到氫原子核後會產生出一群陌生的新粒子。這些粒子從碰撞點擴散時，都會留下一個極其微小的氣泡，暴露了它們的蹤跡。科學家無法看到粒子本身，卻可以看到這些氣泡的蹤跡。通過氣泡室圖像，科學家可以估測每個粒子的大小、電荷、運動方向和速度，但是卻無法確定它們的身份。到1958年，有近100個名字被用來鑑別和描述這些探測到的新粒子。
提出者
夸克的提出者之一默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）1929年09月15日出生於美國紐約的一個猶太家庭里。童年時就對科學有濃厚興趣，14歲進入耶魯大學，1948年獲學士學位後轉麻省理工學院，三年後獲博士學位，年僅22歲。1951年蓋爾曼到普林斯頓大學高等研究所工作。1953年到芝加哥大學當講師。參加到以費米為核心的研究集體之中，1955年蓋爾曼到加州理工學院當理論物理學副教授，年後升正教授，成為加州理工學院最年輕的終身教授。
夸克的另一位提出者是喬治·茨威格（George Zweig）生於俄羅斯莫斯科一猶太家庭，原本要在理察·費曼的指導下成為粒子物理學家，但後來轉往研究神經生物學。他在洛斯阿拉莫斯國家實驗室及麻省理工學院任職科學研究員，但於2004年轉投金融行業。
茨威格推斷假設
蓋爾曼認為，如果套用關於自然的幾種基本概念，就可能會弄清楚當時發現的百餘種粒子。他先假定自然是簡單、對稱的。他還假定像所有其它自然界中的物質和力一樣，這些亞原子粒子是守恆的（即質量、能量和電荷在碰撞中沒有丟失，而是保存了下來）。用這些理論作指導，蓋爾曼開始對原子核分裂時的反應進行分類和簡化處理。他創造了一種新的測量方法，稱為“奇異性（strangeness）”。這個詞是他從量子物理學引入的。奇異性可以測量到每個粒子的量子態。他還假設奇異性在每次反應中都被保存了下來。
目前我們對物質的結構的認識建立模型
蓋爾曼發現自己可以建立起原子核分裂或者合成的簡單眼應模式。但是有幾個模式似乎並不遵循守恆定律。之後他意識到如果質子和中子不是基本物質，而是由3個更小的粒子構成，那么他就可以使所有的碰撞反應都遵循簡單的守恆定律了。
證明
經過兩年的努力，蓋爾曼證明了這些更小的粒子肯定存在於質子和中子中。他將之命名為“k-works”，後來縮寫為“kworks”。之後不久，他在詹姆斯·喬伊斯（James Joyce）的作品中讀到一句“三聲夸克（three quarks）”，於是將這種新粒子更名為夸克（quark）。
斯坦福直線加速器中心所做的實驗與盧瑟福(E·Rutherford)所做的驗證原子核式模型的實驗類似。正像盧瑟福由於大量α粒子的大角度散射現象的觀察，預言原子中有核存在一樣，斯坦福直線加速器中心由前所未料的大量電子的大角度散射現象，證實核子結構中有點狀組分。
儘管蓋爾曼和茨威格從理論上預言了夸克的存在，但是在斯坦福直線加速器中心—麻省理工學院合作組所做的實驗之前，沒有人能拿出令人信服的動力學實驗來證實這點。事實上，在那段時期理論學家對強子理論中夸克所扮演的角色還不清楚。正如喬爾斯考格(C·Jarlskog)在諾貝爾頒獎儀式上向瑞典國王介紹獲獎者時所說的那樣，“夸克假說不是當時唯一的假說。例如有一個叫‘核民主’的模型，認為沒有任何粒子可以被叫做基本單元，所有粒子是同等基本的，是相互構成的。”
1962年斯坦福開始建造大的直線加速器，它的能量為10—20GeV，經過一系列改進後，能量可達到50GeV。兩年後，斯坦福直線加速器中心主任潘諾夫斯基(W·Panofsky)得到幾個年輕物理學家的支持，這些人在他擔任斯坦福高能物理實驗室主任時和他共過事，泰勒就是其中一員，並擔任了一個實驗小組的領導。不久弗里德曼和肯德爾也加入進來，他倆那時是麻省理工學院的教師，他們一直在5GeV的劍橋電子加速器上做電子散射實驗，這個加速器是一個回旋加速器，它的容量有限．但是在斯坦福將有20GeV的加速器，它可以產生“絕對強”的射線束、高的電流密度和外部射線束。加利福尼亞理工學院的一個小組也加入合作，他們的主要工作是比較電子——質子散射和正電子——質子散射。這樣，來自斯坦福直線加速器中心、麻省理工學院和加州理工學院的科學家組成了一支龐大的研究隊伍(這支隊伍稱作A組)。他們決定建造兩個能譜儀，一個是8GeV的大接受度能譜儀，另一個是20GeV的小接受度能譜儀。新設計的能譜儀和早期的能譜儀不同的地方是它們在水平方向用了直線一點聚焦，而不是舊設備的逐點聚焦。這種新設計能夠讓散射角在水平方向散開，而動量在垂直方向散開。動量的測量可以達到0.1%，散射角的精度可以達到0.3毫弧度。
在那時，物理學的主流認為質子沒有點狀結構，所以他們預料散射截面將隨著q的增加迅速減小(q是傳遞給核子的四維動量)。換句話說，他們預想大角度散射將會很少，而實驗結果出乎意料的大。在實驗中，他們使用了各種理論假設來估算計數率，這些假設中沒有一個包括組元粒子。其中一個假設使用了彈性散射中觀察到的結構函式，但實驗結果和理論計算相差1到2個數量級。這是一個驚人的發現，人們不知道它意味著什麼。世界上沒有人(包括夸克的發明人和整個理論界)能具體而確切地說：“你們去找夸克，我相信它們在核子裡。”在這種情況下，斯坦福直線加速器中心的理論家比約肯（Bjorken）提出了標定無關性的思想。當他還是斯坦福的研究生時，就和漢德(L. Hand)一起完成了非彈性散射運動學的研究.當比約肯1965年2月回到斯坦福時，由於環境的影響，自然又做起有關電子的課題。他記起1961年在斯坦福學術報告會上聽斯格夫(L. Schiff)說過，非彈性散射是研究質子中瞬時電荷分布的方法，這個理論說明了電子非彈性散射怎樣給出原子核中質子和中子的動量分布。當時，蓋爾曼把流代數引進場論，拋棄了場論中的某些錯誤而保持了流代數的對易關係。阿德勒(S. Adler)用定域流代數導出了中微子反應的求和規則。比約肯花了兩年時間用流代數研究高能電子和中微子散射，以便算出結構函式對整個求和規則的積分，並找出結構函式的形狀和大小。結構函式W1和W2一般來說是兩個變數的函式．這兩個變數是四維動量轉移的平方q和能量轉移v，比約肯則認為，結構函式W2僅僅依賴於這些變數的無因次比率ω=2Mv/q(M表示質子質量)，即vW2=F(ω)，這就是比約肯標度無關性。在得出標度無關性時，他用了許多並行的方法，其中最具有思辯性的是點狀結構。流代數的求和規則暗示了點狀結構，但並不是非要求點狀結構不可。然而比約肯根據這種暗示，結合雷吉極點等其它一些使求和規則收斂的強相互作用概念，自然地得出了結構函式標定無關性。
標定無關性提出後，很多人不相信。正如弗里德曼所說：“這些觀點提出來了，我們並不完全確認。他是一個年輕人，我們感到他的想法是驚人的。我們預料看不到點狀結構，他說的只是一大堆廢話。”1967年末和1968年初，關於深度非彈性散射的實驗數據已開始積累。當肯德爾把嶄新的數據分析拿給比約肯看了以後，比約肯建議用標度無關變數ω來分析這些數據。按照舊方法描出的圖，肯德爾說：“數據很散，就象雞的爪印一樣布滿坐標紙。按比約肯的方法(W2對ω)處理數據時，它們就用一種強有力的方式集中起來。我記起當時巴爾末發現他的經驗關係時的感受——氫光譜的波長被絕對精確的擬合。”1968年8月，在第十四屆國際高能物理會上弗里德曼報告了第一個結果，潘諾夫斯基作為大會的領導很猶豫地提出了核子點狀結構的可能性。
當從20GeV的能譜儀收集到6°和10°散射的數據後，A組就著手用8GeV能譜儀做18°、26°和34°的散射。根據這些數據發現第二個結構函式W1也是單一變數ω的函式，也就是說遵守比約肯標度無關性。所有這些分析結果，直到今天仍然是正確的，即使經過更精確的輻射修正，其結果的差異也不大於1%。從1970年開始，實驗者們用中子作了類似的散射實驗，在這些實驗中，他們交替用氫(質子)和氘(中子)各做一個小時的測量以減小系統誤差。
早在1968年，加州理工學院的費曼已經想到強子是由更小的“部分子”組成的。同年8月他訪問斯坦福直線加速器中心時，看到了非彈性散射的數據和比約肯標度無關性。費曼認為部分子在高能相對論核子中是近似自由分布的，也就是說結構函式與部分子的動量分布是相關的。這是一個簡單的動力學模型，又是比約肯觀點的另一種說法。費曼的工作大大刺激了理論工作，幾種新的理論出現了。在凱蘭(C. Gllan)和格羅斯(D. Gross)得出W1和W2的比率R和部分子自旋緊密相關後，斯坦福直線加速器中心—麻省理工學院的實驗數據以及費曼對夸克的要求，從而淘汰了其它的假設。中子的數據分析清楚地顯示出中子產額不同於質子產額，這也進一步否定了其它的理論假設。
一年以後，在歐洲核子研究中心的重液泡室做的中微子非彈性散射，對斯坦福直線加速器中心的實驗結果做了有力的擴展。後來的μ子深度非彈性散射、電子—正電子碰撞、質子—反質子碰撞、強子噴注都顯示了夸克—夸克相互作用。所有這些都強有力地證明了強子的夸克結構。
物理學界接受夸克用了好幾年的時間，這主要是由於夸克的點狀結構與它們在強子中的強約束的矛盾。正像喬爾斯考格在諾貝爾頒獎儀式上所說的那樣，夸克理論不能完全唯一地解釋實驗結果，獲得諾貝爾獎的實驗表明質子還包含有電中性的結構，不久發現這就是“膠子”。在質子和其它粒子中膠子把夸克膠合在一起。1973年格羅斯、威耳茨克(F. Wilczek)和鮑里澤爾(H.D. Politzer)獨立地發現了非阿貝爾規範場的漸近自由理論[25,26]。這種理論認為，如果夸克之間的相互作用是由色規範膠子引起的，夸克之間的耦合在短距離內呈對數減弱。這個理論(後來被叫做量子色動力學)很容易地解釋了斯坦福直線加速器中心的所有實驗結果。另外，漸近自由的反面，遠距離耦合強度的增加(叫紅外奴役)說明了夸克禁閉的機制。夸克之父，蓋爾曼1972年在第十六屆國際高能物理會議上說：“理論上並不要求夸克在實驗室中是真正可測的，在這一點上象磁單極子那樣，它們可以在想像中存在．”總之，斯坦福直線加速器中心的電子非彈性散射實驗顯示了夸克的點狀行為，它是量子色動力學的實驗基礎。
