)构成而重子由三个夸克(qqq)构成。

表2 夸克的量子数，从上到下依次为自旋、电荷量、同位旋、同位旋第3分量、奇异数和重子数

丁肇中和伯顿·里克特(Samuel Chao Chung Ting，1936— & Burton Richter，1931—2018)因发现粲夸克而获得1976年诺贝尔物理学奖。在原子核、强子研究发展的同时，人们对弱相互作用的认识也逐渐深入。到了20世纪60年代，希格斯机制、电弱统一理论相继建立。1970年，为了解释与实验严重不符的味道改变的中性流的存在，格拉肖、伊利奥普洛斯和马亚尼(Sheldon Glashow，John Iliopoulos & Luciano Maiani)提出GIM机制并引入了一种新夸克4)——粲夸克。1974年，丁肇中和里克特分别在质子—核子对撞和正负电子对撞中发现了一个极窄的共振态[33，34]，其质量约为3.1 GeV。丁肇中和里克特分别将其命名为J粒子和ψ 5)。由于其质量远远大于之前发现的强子共振态，但宽度却很小，它不可能是仅包含u，d或s夸克的强子激发态，因此它很可能是由理论预测的c夸克构成。c夸克的发现具有极其重大的意义，被称为“十一月革命”——它检验了当时描述弱相互作用和强相互作用的理论的正确性。另外两味更重的夸克，底夸克(b)和顶夸克(t)，也分别在1977年和1995年被发现，完成了标准模型中夸克部分的拼图。

杰尔姆·弗里德曼，亨利·肯德尔和理查德·泰勒(Jerome Friedman，1930—，Henry Kendall，1926—1999和Richard Taylor，1929—2018)因对电子—质子、电子—束缚中子的深度非弹性散射的开创性研究进而证实夸克的存在而获得1990年诺贝尔物理学奖。

盖尔曼和茨威格提出的夸克模型可以很好地对实验中发现的介子和重子进行分类，将他们放入SU(3)群的多重态中。但很快人们就发现了新的问题。一方面，作为强子基本组分的夸克是否是真实的粒子?为什么实验中没有看到自由的夸克？还是说夸克只是作为一种辅助的理论概念方便理解实验中发现的大量的强子？另一方面，人们发现在重子十重态中，夸克作为费米子似乎违反了泡利不相容原理。比如Δ ，Δ- 和Ω- 在夸克模型中其夸克组分分别为uuu，ddd和sss。实验中发现这些粒子作为基态，总自旋为3/2并且空间波函数两两互为S波。这样其整体波函数是交换全对称而非全同费米子需要满足的交换反对称。

为解决第二个问题，就必须引入一个被称为颜色(color)的自由度。每味夸克具有红绿蓝(r, g, b)三种颜色，承载另一个SU(3)对称性的基础表示。只需上述三种重子的颜色波函数为颜色SU(3)群的单态即可满足波函数的交换全反对称性。引入了新的颜色自由度后，新的问题随之而来。为什么实验中发现的强子均为颜色单态而不存在带颜色的呢？为解释这样的现象人们提出了色禁闭的假设：只有颜色SU(3)群的单态才能自由地存在。由于夸克是颜色SU(3)的三重态，我们不可能在实验中探测到自由的夸克。

如果探测不到自由的夸克，那么夸克是真实存在的吗？20世纪60年代的深度非弹散射实验给出了肯定的答案[35，36]：核子内部存在点状带电粒子。电子—质子深度非弹散射中出现大能量和大动量转移的几率很高(图5)。这种大能量和大动量转移的过程暗示质子内部存在定域的散射中心。

图5 电子—质子深度非弹散射数据[35]。横坐标为转移动量的平方，纵坐标为散射截面与相对论性粒子的库仑散射截面(莫特截面)的比值，实验数据显示大动量转移的截面并不像弹性散射那样快速下降

戴维·格罗斯，戴维·波利策和弗兰克·维尔切克(David J. Gross，1941—，H. David Politzer，1949— 和Frank Wilczek，1951— )因发现强相互作用的渐进自由而获得2004年诺贝尔物理学奖。量子色动力学(QCD)是标准模型中描述强相互作用的基本理论，它是基于颜色SU(3)对称性的规范理论。1973年，波利策和格罗斯及其学生维尔切克独立地发现了非阿贝尔规范场的渐进自由的性质[37，38]，表现为如下形式，

其中αs表示强相互作用的精细结构常数，即相互作用强度，b0=11-2Nf/3，M为任意一个重正化能量点。当夸克味道的数目Nf=6时，b0>0，此时αs(Q)随着相互作用能标Q的变大而趋于零，此即QCD的渐进自由。

04强相互作用前沿简介

目前强相互作用的研究前沿主要包括三个方面：强子结构、极端条件下的核结构和高温高密核物质。这三个领域分别占美国能源部相关方面经费的约30%，剩余部分分配给相关的交叉学科研究，如核天体物理、标准模型在核物理中的检验及核技术应用等。

4.1 强子结构

目前QCD是公认的描述强相互作用的基本理论。但是由于其低能非微扰的特性(QCD耦合系数在低能区不再是小量，无法按其幂次进行微扰展开)，我们很难直接从QCD出发严格计算出夸克通过交换胶子形成强子的能谱，也无法准确地描述夸克和胶子是如何构成强子的。相比于原子结构和原子核结构，研究强子结构的最大困难是造成组分数可变的非淬火效应：强子中夸克的动能和势能比一对正反夸克的质量还大，胶子可变成正反夸克对