质子和中子一度曾认为是物质的最终不可分的粒子，但是最近的研究揭示，其内部还有绚丽多彩的世界，并证实存在着紧张繁忙的活动。这就是称为夸克和受强作用力控制的粒子王国。
物质的基本组成是什么？科学家曾经认为原子是不可分的，但是20世纪初，科学家发现，原子是由质子、中子和电子组成的。电子的确可以认为是“基本的”，但是在60年代，物理学家开始认识到，质子和中子是由更小的粒子，即逐渐被称为“夸克”的粒子所组成的。
粒子物理学家现在认为，基本的“建筑砖块”有两个家族：夸克和轻子（包括电子）。每一个家族似乎有6个成员即6种夸克和6种轻子。只有两种夸克即上夸克和下夸克是组成质子和中子所必需的，其他几种夸克似乎是构成某些更稀有和短寿命的粒子所需要的，它们是在宇宙射线和高能粒子对撞研究实验中发现的。
夸克和轻子完全不同，主要差别在于夸克是受称为强作用力的基本力所作用，而轻子则不是，强作用力把夸克粘结在更复杂的粒子如质子中，形成极其复杂的丰富世界的一部分。
发现夸克
夸克的思想最早是在研究与质子有关的短寿命粒子的特性规律时形成的。与系统研究元隶的性质最终产生了1869年门捷列夫元素周期表的情况相似，门捷列夫元素周期表中所展现的电子和原子核连续发现的规律反映了原子内部的结构。现在一个世纪之后，我们也知道亚原子粒子之间的关系的模式又反映了它们的内部结构。
质子有许多由强作用力相互作用方法所产生的“亲戚”，强作用力是两种基本作用力之一，范围仅仅局限在原子核或更小的距离内，这些受强作用力控制的粒子总的称为“强子”。据我们所知，除质子是稳定的外，强子全部是不稳定的。一个被分离出来的中子，寿命接近15分钟，而其他强子的寿命则更短。短寿命的强子恰恰是实验室中人工实验的产物，它们是天然生成的，像外层空间来的宇宙射线——高能粒子（主要是质子）——和地球大气层高空中的原子核相撞后而生成的。对宇宙射线相撞的研究揭示了像π介子、κ介子和Λ介子等一类强子的首次迹象，它们的寿命都在10-8~10-10秒的范围内（这些粒子一般按希腊字母的排列次序来命名）。然而在一定条件下。用粒子加速器的实验也能模拟出如宇宙射线那样的碰撞，使物理学家能够对所产生的粒子作更加系统的研究。
这样的研究所揭露出来的强子的第一个特点是强子有一种新的属性，即某些强子和另一些强子是有差别的，并和常规世界无一点相似性。因为这些性质导致其行为似乎也有点独特的奇异，这种性质本身称为奇异性，而具有这种性质的粒子称为奇异粒子。迄今所提到的粒子中，质子和中子无奇异性，π介子也无奇异性。而κ介子和Λ介子则有一个奇异单元，而称为ε（sigma）的另一个粒子，则有两个奇异单元。
60年代初，美国物理学家M. 盖尔曼（M. Gell Mann）和以色列人Y. 尼曼（Y. Ne’ eman），按照当时已知强子的电荷数，奇异数和自旋数各自独立地提出了它们的分类法，他们发现备在着8种粒子模式（八重态）和10种粒子模式（十重态），不过这两种模式还是有分歧。但是很快就清楚粒子的这样分组法和被称为SU（3）［是三维空间中特殊单式群的英文缩写（Special Unitary group in three dimensions）］群的数学对称理论相符合。
SU（3）群图解分类法中的一个空缺正好和带有负电荷和三个奇异单元的新粒子相对应、物理学家称它为Ω粒子。后来，1964年，纽约市布鲁克海文国立实验室的一个研究小组证实了该理论能用来进行预测同时也为夸克这一概念提供了材料。
SU（3）群的数学也表明大群——十重态或八重态——全部是仅有三个成员的基本群构成的，所以它似乎能够合理地回答强子是由3种粒子组成的。盖曼和另一位美国科学家G. 茨维格（G. Zweig）各自独立地提出，强子的确是由这样一些基本实体构成，盖曼把它们称之为夸克。
然而，为了产生出观察到的强子，还要证明夸克必须带有分数电荷，即一个电子电荷的1/3和2/3。
早在19世纪初，M. 法拉第（M. Faraday）在他的电解工作中，就曾确认电荷往往是以某些“单元”电荷的整数倍存在的。J. J. 汤姆逊（J. J. Thomson）1897年发现的电子——即所有物质中已知的第一个基本粒子——时就认为这是一个电荷单位，而不是该电子的电荷。所以关于带有一个电荷分数单位的夸克的想法本身就是革命性的，同时也让许多物理学家感到了困惑，即夸克是一个数学上的人造概念，还是一个真正的粒子。
已知有5种夸克，似乎一定存在第6种夸克 - 顶夸克。同样有6种轻子，二套粒子均能成对组合。只是每组中最轻的一对构成了今天世界的所有物质，而其他各对只是在高能情况下产生。［给出的质量是以百万电子伏特表示（Mev），质子质量是938 Mev］。轻子包括两个较重的粒子，和电子有相同的电荷，实际上其行为也像电子。它们称为μ介子和τ介子。 轻子家族中另外三个成员是三个中微子，每一个均和带电荷的轻子有关，是电中性的，质量很小或无质量。
夸克和轻子之间的另一个差别是它们的电荷数，夸克的电荷数是一个电子电荷数值的1/3或2/3，并且是正的或负的，而轻子要求和电子的电荷数相内（包括符号），或者是没有电荷（中微子）。
组成到1964年为止已知道的粒子，只需要3种夸克，即我们今天称作的上夸克（u），下夸克（d）和奇夸克（s），电荷是（2/3）e，-（1/3）e和-（1/3）e。上夸克和下夸克的奇异数为零，而奇夸克的奇异数是-1。把这3种夸克组合在一起能够组成重子，即强子的自旋数为1/2（如质子，是duu，中子是ddu，Λ粒子是dus），或自旋为3/2（如Ω粒子是sss）。同时，我们也能把夸克和反夸克（电荷数和奇异数正好相反）合并来制造自旋数为0或1的强子，它们也叫作介子。包括带电荷的μ介子（u夸克和反d夸克，或反过来），带电荷的κ介子（u夸克和反s夸克，或反过来）。
要完全接受夸克的概念是困难的，主要是非常规的“分数”电荷。至今还无人检测到带有（1/3）e或（2/3）e的任何粒子。是否可以假设夸克还存在于其他粒子的内部，那么为什么它们不会在高能对撞的过程中被轰击出来呢？就像质子或中子能够从原子核中被轰击出来一样？
质子内部
把夸克确实锁在质子和中子——组成今天世界所有物质的强子——内部的主要依据是来自能够探索到粒子内层深处的实验。其原理是使用某些不复杂的粒子，例如轻子来揭示更复杂的质子内部的秘密。据我们所知，轻子是不复杂的，它们没有如简单的介子那样的结构和行为，它们不受强作用力影响，所以发生在它们之间的相互作用只能依照电磁作用力（带电荷粒子之间的作用）和弱作用力（某些形成放射性的核力）来解释。
这样一类实验的另一个基本特点是作用探针的轻子要有高能。量子理论告诉我们，这些“粒子”同样具有波的性质。在波 - 粒子图像中，粒子的能量越大，其相应的波长就越短。 所以粒子的能量越大，能展现其相互作用结构的距离就越小，或者换言之，可以进行“更深层次”的研究。当能量大到足够能令人感兴趣的数值时，对撞往往能使质子受到一定程度的破坏，就会生成一些新的粒子。这种碰撞是“非弹性”的，与此相反最简单碰撞是“弹性”的，就像台球碰撞，被命名为“深度非弹性散射”就是用轻子来探索质子内部的高能实验，能同时产生这两种效果。
60年代末，在加里福尼亚的斯坦福直线加速器中心（SLAC），物理学家在3公里长的加速器中，用了一束电子，做了一次拆散质子结构的实验，他们用一束电子直接对准液体氢的“靶子”，其中带负电荷的电子用电磁相互作用力和氢中带正电荷的质子相互反应。检测器测量到散射电子的能量，和它们的发射角度，在分析了这些测量结果后，物理学家能拼凑出一幅图像，即质子看起来有点像电子，表明质子内的电荷显示出像高能电子。
结果表明与其说电子是在通过质子范围内的电荷云，倒不如说电子是在轰击极小的，像点一样大小的电荷浓集物。的确“隆起处”是足够的浓，有时候它们还会轰击电子的边缘处，大量的能量和动量会从电子转移到质子，这种证据表明质子的确还有更小的部分，或“部分子”（Parton，这是由美国理论物理学家R. 费曼（R. Feynman）创造的），但是这些“部分子”能否就认为是夸克呢？
搞清这一点需要关于“部分子”的电荷知识，电子因为它们和带电荷的“部分子”相互作用而受到电磁作用力的散射，然而中微子是不带电荷的，只通过弱作用力而相互起反应，比较这两种类型粒子的散射量就能揭示出“部分子”的电荷。
位于瑞士日内瓦的欧洲粒子物理研究中心CERN的研究人员，用Gargamella的一个大气泡室做了同样的实验，并得出了结果。物理学家比较了Gargamella获得的中微子结果和SLAC得到的电子数据后，他们发现，结果非常漂亮地证实了“部分子”带有（1/3）e和（2/3）e。显然，带有异常分数电荷的夸克是质子和中子的成分。
粲夸克和底夸克
研究夸克的另一个方法是制造它们，而不是在其他粒子中寻找它们。夸克能够在生成新粒子的一些商能对撞中产生，特别在夸克 - 反夸克对生成介子过程中，然而另外一个更加令人感兴趣的制造夸克的方法是用电子和它们的反粒子 - 正电子对撞过程。
当一个粒子和它的反粒子——即质量相同，但性质相反，例如电荷相反的粒子——对撞时，结果会产生一个相互自我破坏的作用，称之为湮灭。粒子和反粒子消失，它们的联合质量在生成光子时转化成能量了（若能量足够高到能变成粒子，则称为Z*）。光子仅仅存在瞬间，即能量转化为粒子和反粒子之前。但是新的粒子 - 反粒子对不会是与湮灭时相同种类的粒子对。提供它要有足够的能量，一个电子 - 正电子对能生成μ介子 - 反μ介子对，τ介子－反τ介子对，或某些可匹配的夸克 - 反夸克对。
1974年在研究电子－正电子湮灭实验时，发现了一个新的，比较重的第4种夸克，即现在称为粲夸克的迹象（由于它的存在“像魔力”一样，解决了某些理论问题）。该实验在SLAC的电子 - 正电子对撞机上完成的，并表明存在着一种新的粒子，现在知道是J/?粒子，J/?粒子是一种介子，是由粲夸克和它的反粲夸克结合在一起组成的。当对撞的电子－正电子对总能量正好高到足够能生成J/?粒子的质量（比质子的质量高三倍以上）时，实验观察到通过检测器的粒子速率急剧增加，这些就是J/0粒子衰变时的产物。
同时在布鲁克海文实验室的另一次实验中也发现有J/? 粒子，那是一次观察用高能质子和铍靶对撞产生电子－正电子对的实验，结果发现了J/?粒子。在这一例子中，通过夸克和反夸克对湮灭生成电子－正电子对实验，并检测到了J/?粒子，而在SLAC观察到的过程正好相反。
第5个夸克，也是最重的夸克，现在称为底夸克的粒子是1977年在美国伊利诺斯费米实验室的一次实验中，以类似的方法出现的，那是一次用高能质子和靶子相撞研究产生的μ介子－μ介子对实验。当时他们发现丁比质子重10多倍的新的粒子的迹象。这能够用由于新的重夸克（即底夸克）是和它的反夸克结合在一起，所以质量很大这一原因来解释。
与奇夸克一样，粲夸克和底夸克似乎都有它们自己独特的性质，即能帮助它们生成新的粒子。例如存在“着魔的”介子时，其中会含有粲夸克和另外种类的反夸克。夸克能通过弱作用力从一种种类变成另一种种类，所以最终底夸克、粲夸克和奇夸克全部衰变成构成每天物质的u和d夸克。
带色的夸克
用电子 - 正电子湮灭的方法制造的夸克和反夸克还揭示了夸克的另一种性质。用一对电子 - 正电子湮灭的方法制造的粒子 - 反粒子对的概率与粒子电荷的平方有关。所以产生强子——含有夸克和反夸克的粒子——的概率与产生一对μ介子和反μ介子的概率之比应能反映出各种夸克的电荷数，当然这电荷数只是同μ介子的电荷数，即简单的e比较而言。
这类实验已经指出，产生的强子数经常比根据夸克类型和它们的电荷而计算应该认为的数多出3倍，这表明还有另一种能进一步区别夸克的性质，即每种夸克还存在看三种形态。和光的三种原始颜色相类似，这种性质现在称为“色”，三种涵义被命名为“红”“绿”和“蓝”，当然这和通常感觉到的光的颜色完全不是一回事。
对于夸克这种特殊性质的主要依据来自于Ω粒子，它含有三个奇夸克（SSS）。因为深度非弹性散射实验已指出，夸克必须有一个固有自旋1/2。但是Ω粒子的自旋数为3/2，这意味着三个S夸克只能在同一方向上它们的自旋才能匹配。这样就出现了问题，因为根据量子理论学说，由泡利（Pauli）不相容原理所知，确定自旋为1/2的粒子不能和与它相匹配的自旋数占据同一个空间。在Ω粒子中能发生这种现象的唯一解释是夸克是否还有另一种其他方式，即它们全都有一种特别的不同涵义即色的性质，只有这样才能发生存在于Ω粒子中的这种现象。
这种色的性质仅仅属于夸克，并且明显是来源于强作用力。对于轻子，像电子就没有色，并且完全不受强作用力的影响，由夸克生成的更复杂的粒子——重子和介子——就没有色，但当它们彼此靠得足够近时，在一个粒子的色夸克范围内时，也能感觉到其他粒子的色动效应。
夸克（以及反夸克）的色，使强子彼此是中性的，而不像电子的负电荷与质子的正电荷平衡后，使原子整体上是中性的。一个重子，像质子，含有3个夸克，每一个有不同的颜色（红、绿和蓝）。—个介子含有一种颜色的夸克（有说红的）和相应的带“反颜色”（即反红，我们可以给定颜色，称之为青色，即红的互补色）的反夸克相结合组成。
颜色是量子色动力学（即强作用力的量子理论）中的一个关键成分。在这一理论中，色荷是强作用力的源泉，就像电荷是电磁作用力的源泉一样。此外当带色的夸克相互作用时，它们交换胶子，一种具有强作用勺的粒子，这和电磁作用力相似，光子就带有量子水平上的力。可是两者的主要差别在于，即光子没有电荷，而胶子则和颜色相关联，所以当它们从一种形式转变成另一种形式时，夸克的颜色也变化。胶子的这种性质有重要的后果，即当夸克从存在于它们之间的强作用下分离出来后会变得更强。高能对撞至今还未从粒子中轰击出夸克来，而相反在碰撞过程中，由夸克－反夸克的能量物质化——换言之，或介子对的能量物质化——这样所产生的粒子喷射，已在宇宙射线的碰撞中看到。
夸克的海洋
研究深度非弹性散射和电子 - 正电子湮灭实验，不仅证实了质子内部存在着胶子，而且也证实了量子色动力学的有效性，例如SLAC和Gargamelle的早期实验中，测量了在质子内作运动的夸克所带的动量，结果显示夸克只带有总动量的一半，意味着在质子内还埋藏着其他的“部分子”。
这些其他“部分子”不仅包括胶子，而且还有夸克一反夸克对，能在再一次湮灭成胶子之前瞬时使胶子物质化。所以质子包含埋嵌在胶子网络中的3个“价夸克”和短暂的夸克 - 反夸克对的“海洋”。80年代期间，在CERN做的高能中微子束详细实验中，物理学家能从质子中分离出不同种类的粒子，提供给深度非弹性散射实验，甚至检定到反夸克的存在。
探索质子这样一个极其丰富世界的最近一次实验也是在DESY，在一个新的设备HERA进行的，使电子和质子相撞，在比过去要高得多的对撞能量情况下，在HERA上的实验探索到了比过去更深层次质子的内部。在费米实验室，研究人员也在研究质子 - 反质子之间最高能量的对撞，希望发现第6种夸克即顶夸克。在系统总结了夸克、轻子以及它们相互作用的理论基础上，人们似乎强烈地感觉到，一定存在第6种夸克，即电荷为+（2/3）e，它是电荷为-（1/3）e的底夸克的伙伴，发现它将为提供至今我们在对夸克这个特殊世界研究中一个最重要的丢失的链，它存在于质子和它的许多稀有“亲戚”的内部。
[New Scientist，1993年7月10日]