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基本粒子

顶夸克

顶夸克(Top quark) 是基本粒子之一，属于费米子中的第三代夸克，也是已知最重的基本粒子，质量达到173.1±0.6 GeV（与钨原子质量相当），电荷为+2/3，寿命极短只有1E-24s，远小于强相互作用的时间标度，所以来不及形成强子就衰变了（其他夸克都会形成强子）。1994年4月25日美国费米实验的CDF实验组发表了顶夸克存在证据，在收集更多的事例后，1995年初CDF和DØ两个实验组分别宣布发现了顶夸克，这是粒子物理标准模型中最后一个被发现的夸克。

美国费米实验室已正式宣布，发现了物质组成中第6种、也是最后一种夸克（Quark）——顶夸克（TopQuark）。这项物理学上的重大发现，证实粒子物理理论模型，也让科学家藉以了解顶夸克性质、了解大自然和物质的起源。至于这项发现是不是会像发现质子、中子，对人类生活产生重大影响，仍有待观察。

夸克是比质子、中子更微小的物质组成基本粒子。在60年代以前，物理学界认为质子、中子是最小的物质组成粒子。

物理学家

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不过，1963年美国物理学家盖尔曼、兹维格提出物质组成的新理论，主张当时科学家所认知构成物质的最小粒子中子、质子等，是由更基本的粒子“夸克”所构成，并提出三种夸克，分别命名为上夸克、下夸克、奇异夸克，例如，质子是由两个上夸克与一个下夸克及胶子组成。唯有在粒子物理学家建构的实验室中，才能感觉到夸克的存在。夸克构成质子、中子，而质子、中子又存在于我们周围每一种物质中，但由于强相互作用的色禁闭，夸克并不会自由独立地存在于自然界中。

产生

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当粒子（电子或质子）以极高的速度（接近光速）发生碰撞时，才有可能产生“夸克”这样的基本粒子。而且由于碰撞产生的顶夸克的寿命很短，它很快就会衰变成其他粒子。因此，只有在实验室中，以粒子加速器将电子或质子加速，并使它们在高速下发生碰撞，同时以极精密的仪器进行测量，才能推论出顶夸克的存在。经由实验观测与理论推算，科学家认为夸克应该有6种。科学仪器的改进，帮助科学家发现这些夸克。因为，粒子加速器能量不断提升，测量仪器功能不断改善，粒子碰撞瞬间的速度、能量愈大，测量仪器愈精密，也愈容易捕捉到瞬间即逝的信号，则产生新粒子的可能性愈高。

发现历史

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1963年后，科学家陆续发现第4、5种夸克，其中“粲夸克”是在1974年由华裔科学家丁肇中领导的实验组和伯顿.里克特领导的实验组分别独立发现，他们也因此获得了1976年的诺贝尔物理学奖。3年后，李德曼领导的研究组又证实第五种夸克——“底夸克”的存在。寻找最后一种夸克，便是19年来粒子物理学家努力的方向，只有证实顶夸克的存在，粒子物理标准模型才能获得验证。顶夸克的质量超过科学家的推测，所以日本的TRISTAN、德国的DESY、美国的SLAC以及欧洲核子中心的SPS都没能发现它。顶夸克的质量大约是质子质量的200倍，依照相对论的质量与能量转换公式，以质子对撞方式产生顶夸克，必须使质子以极高的速度运动。速度愈快、能量愈高，碰撞的瞬间产生顶夸克可能性越大。

费米实验室Tevatron加速器周长有6.3km，使用1000个超导磁铁，把质子与反质子加速到各具有九千亿电子伏特的能量后，进行对撞，平均要1兆次的对撞才可能观察到1次顶夸克。顶夸克出现后，“随即”消失。理论预言顶夸克出现后，便在1×10-24s（观察者还来不及眨眼的瞬间）衰变成其他粒子。

1994年1月，DØ实验组发表了顶夸克质量在131GeV以上的限制，随后4月CDF实验组给出了第一个顶夸克产生证据，质量为174±10-12GeV。经过短暂的休整，Tevatron的亮度不高的问题得以解决，到1995年初，CDF和DØ收集到足够多的事例确认了顶夸克的发现，CDF给出的顶夸克质量为176±13 GeV，而D0给出的结果是199±30 GeV，他们的结果发表在同一期的Phy.Rev.Lett杂志上。

随着Tevatron事例的不断积累，CDF和DØ不断提高顶夸克性质的测量精度。2010年CERN的大型强子对撞机(LHC)开始运行，这是能量最高的对撞机，可以产生大量的顶夸克事例。科学家们合并了Tevatron与LHC的数据，得到了更精确的顶夸克质量为173.1±0.6 GeV。

发现意义

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顶夸克的发现，验证了粒子物理的理论模型，但是一般人既感觉不到它的存在，也不会因为它的发现生活立刻受到影响。不过，虽然类似的粒子物理学基础研究有初步成果发表时，实用价值往往并不明显，但绝对具有极高的学术价值。例如，科学家在原子核内发现质子、中子时，也不能预知后来会利用核分裂、核聚合来产生能量。

参与这项研究的华裔高能物理学家叶恭平说：“宇宙刚开始瞬间，只是基本粒子存在的状态，找齐6种夸克等基本粒子，将可以协助科学家回溯宇宙的初始阶段。因此，可以知道宇宙由过去到未来的演化历程。”

基本粒子如此之多，难道它们真的都是最基本、不可分的吗？近40年来大量实验实事表明至少强子是有内部结构的。

1964年盖尔曼提出了夸克模型，认为介子是由夸克和反夸克所组成，重子是由三个夸克组成。他因此获1969年诺贝尔物理学奖。

当今人们认识的物质结构

原子是由原子核和电子构成的，原子核是由质子和中子构成的，质子和中子是由什么构成的呢？这的确是轮中之轮！这些新发现的物质的基本构件构成了质子和中子，当时还没有名称。盖尔—曼于是便杜撰了一个名称——夸克。而这名称还真的就这么叫上了。强子是由夸克构成的。古希腊人认为，一切物质都是由为数不多的基本粒子（即他们所谓的“原子”）构成的。这一伟大的原理已被事实证明不那么好理解。基本粒子是否就是夸克？难道夸克也是复合粒子吗？我们一会儿再来讨论这个问题。

结构形态

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夸克以两种构型附着在一起构成强子。一种构型是两个夸克附在一起，另一种构型是三个夸克附在一起。两个夸克在一起就构成了介子，三个夸克在一起就构成了重子。由于夸克有正反夸克，所以组成的介子和重子也有正反粒子之分。强子中的夸克也有量子能级。能够通过吸收能量而受激进入较高的级位。受激的强子看上去与其他的强子一样，于是很多先前被认为是独立的粒子被看作是夸克结合的激发态。

为了解释所有已知的强子，就必须设想夸克不止一种。在20世纪70年代初，人们设想有三种“味道”的夸克。这三种夸克被异想天开地称作“上”、“下”、“奇”。后来，出现了更多的强子，又多出了第四种夸克，即“粲”夸克。1973年小林诚和益川敏英在解释CP对称性破缺的时候预言了顶夸克及底夸克的存在，并因此获得了2008年的诺贝尔物理学奖。

夸克理论的基本预设是，夸克本身是真正浑然一体的基本粒子，是一种象点一样的物体，没有内部结构。在这方面，夸克颇象轻子，因为轻子不是由夸克组成的，它们本身似乎就是基本粒子。事实上，夸克和轻子之间有着自然的对应，使人们获得意想不到的机会得以洞见大自然的运作。夸克和轻子之间的系统联系见下面的表1。表右边一栏是夸克的味道，左边是已知的所有轻子。要记住，轻子感受到的是弱力，而夸克感受到的是强力。轻子和夸克之间还有一个区别是，轻子或是不带电，或是只带1个单位的电荷；而夸克则带3分之1或3分之2单位的电荷。

差别研究

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尽管轻子与夸克有着如许的差别，但二者之间存在着深刻的数学对称，使轻子和夸克在上面的图表中有了逐层面的对应。第一个层面只有四种粒子：上、下夸克、电子及电中微子。奇怪的是，一切普通的物质竟全是这四种粒子构成的。质子和中子都是由3个的夸克组成的，而电子只是充任构成物质的一种亚原子粒子。中微子只是跑进宇宙里，一点也不参与物质的构造。

亚原子粒子可分为两大类：轻子和夸克。夸克没有被发现单独存在，而是两个或三个地在一起。夸克的电荷是分数的。一切普通的物质都是由Ⅰ层面的粒子构成的。Ⅱ层面和Ⅲ层面似乎是Ⅰ层面的简单复制，其中的粒子是高度不稳定的。虽然理论模型并未排除新的层面的存在，但是实验上通过Z粒子的衰变以及Higgs粒子的产生的研究基本排除了更多层面的可能。

下面一个层面的粒子似乎就是第一个层面的复制，只不过较重而已。第二个层面的粒子都极不稳定（中微子例外），它们所构成的各种粒子很快就衰变为层面Ⅰ的粒子。第三个层面的粒子也是这样。

于是就必然产生这样的问题：层面Ⅰ之外的其他粒子有什么用处呢？为什么大自然需要它们？在形成宇宙的过程中，它们扮演了什么角色？它们是多余的赘物？或者，它们是某种神秘的、尚未完全明了的过程的一部分？更为令人不解的问题是，随着将来能量越来越高的粒子加速器的出现，是否也只有这三个层面的粒子？是否会发现更多的或无穷多的层面？

还有一种复杂的情况加深了我们的不解。为了避免与量子物理学的一个基本原则相冲突，我们必须设想每一种味道的夸克实际上有三种不同的形式，即人们所说的“颜色”。任何一个给定的夸克都必须被看作是某种多层电镀（比喻说法）的叠加，不断地闪现出（又是一个比喻说法）“红”、“绿”、“蓝”的颜色。这样一来，一切又看上去象是乱了套的动物园了。但是，收拾局面的方法就在眼前。对称又来救驾了。不过，这一次的对称，其形式更微妙，更深奥的规范对称性。

规范对称性

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为了理解规范对称性，我们就得说说物质基本结构分析的另一个大线索：力。不管粒子动物园有多么纷坛复杂，其中看来只有四种基本的力：引力，电磁力（因与日常生活密切相关而广为人知），弱作用力和强作用力。中子和质子之间的核力，当然不可能是基本力，因为中子和质子本身就是复合物而不是基本粒子。当两个质子相互吸引时，我们实际上看到的，就是六种夸克相互作用的合力。夸克之间的力才是基本力。与描述电磁场类似，可以用规范对称性描述夸克之间的强相互作用，而夸克的色就相当于电荷。光子的对应物是所谓的“胶子”，其作用就是像信使那样，不断地在夸克之间来回跳动，将夸克胶结在一起。物理学家们仿照电动力学，把这种由“颜色”产生出来的力场理论叫作色动力学。色动力作用要比电磁力作用复杂。这有两个原因。第一，夸克有三色，而电荷却只有一种，于是，与一种光子相对应的就是八种不同的胶子。第二，胶子也有颜色，因而彼此也有很强的相互作用，而光子不带电荷，彼此间又是那么不相干。

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