HƯƠNG VỊ VÀ MÀU SẮC CỦA CÁC HẠT QUARK
Như vậy, chúng ta đã thấy rằng mọi hađron đều được cấu thành từ các hạt quark. Các đặc trưng của quark được biểu diễn thành bảng. Như đã nói có 6 loại quark (và 6 phản quark). Số tích baryon của mỗi hạt quark bằng 1/3. Điện tích của chúng cũng là những phân số (so với đơn vị điện tích cơ bản của proton là e): các hạt quark u,c và t có điện tích bằng +2/3, còn các hạt quark d,s, và b có điện tích bằng -1/3. Tên của các hạt quark lấy từ chữ đầu của những tiếng Anh u (từ up = lên trên), d (từ down = xuống dưới), s (từ strange/trangeness) = [sự] lạ), c (charm = duyên), b (từ beauty = đẹp sau đổi là bottom = đáy), t (từ truth = sự thật hoặc top = trên cùng). Những từ này đóng vai trò xác định một số lượng tử quan trọng mà ngày nay người ta gọi hương vị (flavouv), mặc dầu hương vị này không có mối liên hệ gì với mỹ phẩm. Khác với điện tích, hương vị của tất cả những quark, trừ u và d, là những đại lượng không bảo toàn (nghĩa là có thể “bay hơi” theo thời gian), tuy nhiên cũng là những đại lượng tương đối ổn định so với thời gian sống của hạt nhân đặc trưng là 10-23 giây. Và như thế dần dần bốn quark còn lại sẽ chuyển dịch thành hai quark đầu.
Việc ''xây dựng'' các hađron từ những quark thực hiện như sau. Mỗi baryon (hoặc phản baryon) gồm 3 quark (hoặc phản quark), còn các meson gồm từng cặp quark - phản quark. Ví dụ, proton gồm hai quark u và một quark d, còn notron gồm một quark u và hai quark d, hạt + meson - một quark u và một phản quark ,…Có thể viết gọn là:
P = uud, n = udd,+ =
Những kết quả trên thật sự là những kết quả to lớn nhưng cũng vẫn chỉ là lý thuyết hình thức. Không lâu sau đó những kết quả này đã được thực nghiệm khẳng định: sự tồn tại các hạt quark đã được kiểm nghiệm. Phương pháp thực nghiệm dùng ở đây tương tự như trong các thực nghiệm của Rutherford, tức là nghiên cứu quá trình va chạm của các hạt. Các khâu mấu chốt ở đây là quá trình va chạm của electron với positron, kết quả va chạm là sự hủy cặp với sự xuất hiện các hađron và quá trình tán xạ phi đàn hồi sâu giữ electron và proton. Quá trình sau thực chất là quá trình chiếu xạ các proton bằng chùm electron có năng lượng cao.
Những thí nghiệm như vậy chứng tỏ rằng trong các hađron thật sự tồn tại những thực thể điểm không có cấu trúc. Lúc đầu người ta gọi chúng là những parton (từ chữ Anh part = phần), và sau đó đồng nhất các parton này với các hạt quark.
Ngoài hương vị, mỗi hạt quark còn có thêm một tích đặc biệt nữa. Lý do phải đưa tích này vào thì có nhiều song lý do chính là để hiểu những lực gì đã giam giữ các hạt quark trong lòng các hađron. Tích này không thể biểu diễn bằng các dấu ''+'' và '' - '', bởi vì tích này không chỉ lấy hai giá trị mà là ba giá trị. Trước đây một tình huống tương tự đã gặp trong quang học, ở đấy như chúng ta biết có ba màu cơ bản từ các màu cơ bản đó chúng ta có thể tạo ra các màu sắc khác (và đó cũng là cơ sở hệ màu trong vô tuyến). Và vì thế tích mới nói trên được đặt tên là màu sắc. Vậy người ta đã ''tô màu'' cho các hạt quark: mỗi hạt có 3 màu đỏ, xanh và vàng. Lẽ dĩ nhiên màu sắc ở đây là một quy ước và không dính dáng gì đến các màu sắc trong thiên nhiên và trong quang học.
BA QUARK CHO THẦY MARK
Trong bài báo mà Murray Gell - Mann đề xuất thuật ngữ quark, ông đã nhớ đến từ này trong tiểu thuyết của nhà văn Ailen James Joyce (1882 – 1941): “Thức canh Finnegan” (Finnegans Wake). Vào năm 1964, người ta chỉ biết 3 hạt quark là u,d,s và trong cuốn tiểu thuyết của Joyce có một đoạn duy nhất có câu: “Ba quark cho thầy mark!” (nguyên văn tiếng Anh: Three quark for master Mark!). Theo ý của Gell – Mann (vốn không chỉ là một nhà vật lý lỗi lạc mà còn là một nhà ngôn ngữ uyên bác, thông hiểu nhiều thứ tiếng) thì thuật ngữ quark rất phù hợp với ba hạt cơ bản u, d, s nói trên. Ở đây không riêng có sự liên tưởng về con số 3 mà vì đằng sau câu nói trên trong cuốn tiểu thuyết còn ẩn chứa nhiều điều Joyce viết cuốn tiểu thuyết này trong 17 năm, từ năm 1922 đến năm 1939. Cuốn tiểu thuyết được xây dựng trên sự sáng tạo ngôn ngữ, mà chính bản thân người Anh đọc cũng còn khó hiểu. Cuốn tiểu thuyết này không thể nào dịch ra các thứ tiếng khác (ngay cả việc dịch ra tiếng Nga một cuốn tiểu thuyết dễ đọc hơn của Joyce là quyển ''Ulysses'' cũng đòi hỏi dịch giả Sergei Khorujei, vốn là một nhà vật lý lý thuyết, chuyên gia trong lĩnh vực lý thuyết trường, một sự cố gắng phi thường).
Ở Anh có những hội độc giả hâm mộ cuốn ''Thức canh Finnegan'', vì họ tìm thấy trong đó nhiều câu đổ chữ và một văn phong trào lộng ẩn chứa sau những dòng chữ. Số trang viết bình luận cuốn tiểu thuyết lớn hơn nhiều lần số trang của bản thân cuốn tiểu thuyết và các bài viết này bình giảng nghĩa lý có thể của từng từ, từng chữ trong cuốn tiểu thuyết. Một trong những trò đố chữ tương đối dễ là bài ca trong đó có chữ quark.
Tên cuốn tiểu thuyết lấy từ câu chuyện phong dao cổ Ailen (Ireland) về một gã say rượu tên là Finnegan bị trượt ngã xuống cầu thang. Bạn bè tưởng rằng Finnegan đã chết nên tụ tập quanh xác Finnegan để thức canh cầu hồn. Một trong những người bạn phun rượu vào thái dương Finnegan làm cho anh ta sống dậy và cả đám lại bắt đầu cuộc vui.
Như vậy, câu chuyện cổ này chứa môtip phục sinh, đầu thai và đó là môtíp cơ bản của cuốn tiểu thuyết nổi tiếng này. Nhân vật chính trong cuốn tiểu thuyết là Humphrey, trong quá trình diễn biến sự việc, hiển hiện dưới nhiều gương mặt, trong đó có 3 đứa con của ông ta: hai cậu con trai là Khem và Shaun và cô con gái Isolde (ở đây có ẩn dụ là hạt proton được cấu thành từ 3 hạt quark). Bài ca thuộc về đoạn mà nhân vật chính thiu thiu ngủ và mơ thấy rằng ông ta là vua Mark, đang đưa thuyền hoa đi đón người vợ chưa cưới Isolde, trên thuyền lại có cháu ông là hiệp sĩ Tristram. Hiệp sĩ Trisramm và Isolde yêu nhau. Các con chim mòng bể bay quanh thuyền chế nhạo vua Mark bị lừa dối và hát lên bài ca hiểu theo hai nghĩa. Căn cứ theo những lời tiếp theo của bài ca thì từ ''ba quark cho thầy Mark'' có nghĩa là vua Mark bị lừa dối ba lần.
Thật ra trong tiếng Anh không có từ quark. Từ này chỉ có trong tiếng Đức và có nghĩa đen là pho mát tươi, và có nghĩa bóng là ''điều vớ vẩn'', ''điều nhảm nhí”. Lẽ dĩ nhiên bây giờ người ta đã quên chuyện từ đâu mà có thuật ngữ quark. Thuật ngữ này đã trở thành bình thường, phổ cập trong giới vật lý trên toàn thế giới và trong cả các sách giáo khoa. Song ngay cả hiện nay, các hạt quark cũng còn chứa nhiều điều chưa hiểu hết và điều này hoàn toàn ứng với tính bí ẩn của chính từ quark mà Joyce đã dùng trong cuốn tiểu thuyết rồi sau đó Gell - Mann đã chọn để đặt tên cho ba hạt nói trên.
MÀU SẮC CỦA CÁC HẠT QUARK VÀ NGUYÊN LÝ PAULI
Các nucleon có spin bằng 1/2. Để có được trị số đó lúc cộng spin của các quark, thì các hạt quark cũng phải có spin là 1/2 (Khi cộng spin nên chú ý rằng 1 hạt quark trong số 3 hạt quark cấu thành nucleon, có spin phản song song với spin của hai hạt còn lại). Và nếu sự việc xảy ra như thế thì các hạt quark phải là các fermion và do đó chúng phải tuân thủ nguyên lý Pauli. Mặt khác khi xây dựng baryon với spin 3/2 phải giả định rằng một số baryon (như hyperon) phải gồm 3 hạt quark như nhau với spin song song (1/2 +1/2 + 1/2 = 3/2) và điều này vi phạm nguyên lý Pauli.
Để vượt qua mâu thuẫn này, năm 1965, các nhà vật lý người Nhật Yoitiro Nambu (sinh năm 1921 và từ năm 1971 làm việc ở Mỹ) và học trò của ông là M. Han, và cùng thời gian đó các nhà bác học Nga Nikolai Nikolayevich Bogolyubov (1909 - 1992), Boris Vladimirovich Struminsky (sinh năm 1939) và Albert Nikiforovich Tavkhelidze (sinh năm 1930) cùng đưa ra ý tưởng: mỗi hạt quark còn có thêm một số lượng tử nữa có khả răng lấy 3 trị số khác nhau. Theo đề nghị của Gell - Mann số lượng tử mới này có tên là màu sắc. Và 3 trị số đó được chọn là màu đỏ R (tiếng Anh: red), màu xanh lá cây G (tiếng Anh: green) và màu xanh lơ B (tiếng Anh: blue). Cũng có khi người ta dùng 3 màu đỏ R, xanh B và vàng Y (tiếng Anh: yellow). Sự chọn 3 màu này cũng không hoàn toàn là ngẫu nhiên: trong quang học ba màu này được xem là ba màu độc lập với nhau và nếu cộng (tổng hợp) chúng lại ta sẽ có màu trắng. Màu sắc của các phản quark được chọn sao cho khi ''hoà'' với màu của quark thì chúng ta cũng có màu trắng.
Sau khi đưa vào các số lượng tử trên thì lý thuyết được bổ sung 3 quy tắc mới sau đây:
1. Mỗi baryon gồm 3 quark có màu sắc khác nhau.
2. Mỗi meson, gồm các cặp quark và phản quark với mọi màu sắc khả dĩ.
3. Mọi hađron quan sát được đều có màu trắng (nói cách khác là không có màu).
Chúng ta đang sống trong một thế giới không màu (theo ý nghĩa trên): đây là một kết luận thật bất ngờ, kết quả của lý thuyết quark về cấu trúc hađron.