顶夸克的新动向

( 美国费米实验室D0控制室。1995年在这里从事CDF和D0实验项目的科学家们正式宣布发现顶夸克 )

根据标准模型（Standard Model）的描述，夸克粒子一共分为三代（Generation），分别是上（Up）下（Down）夸克、奇（Strange）粲（Charm）夸克和顶（Top）底（Bottom）夸克三代共6种，如果再算上这些夸克各自的反粒子，则总共有12种不同的夸克粒子。相比之下，除了第一代上夸克和下夸克可以构成稳定的物质世界之外，其他的夸克粒子都很不稳定，即使产生出来也会迅速衰变为其他粒子，它们的质量也相对更大。

顶夸克是标准模型中所描述的最重也是最令人迷惑的基本粒子，它的质量几乎相当于一个金原子核，是上夸克和下夸克的几万倍。在1995年，CDF实验项目与D0实验项目的科学家们首次在芝加哥费米实验室的Tevatron粒子对撞机中发现了顶夸克存在的痕迹。目前，人类也只是在费米实验室的Tevatron粒子对撞机和欧洲核子中心（CERN）的大型重子对撞机（LHC）中观察到过顶夸克的存在。对于这种不常出现的超重粒子，物理学家们始终抱有极大的兴趣，因为研究顶夸克的性质以及它的衰变方式，有助于人们进一步理解强相互作用和电弱相互作用的本质。

在高能粒子对撞实验中，在大多数情况下，顶夸克会通过强相互作用产生出来。随着顶夸克的诞生，同时还会伴随着它的反粒子——反顶夸克一同出现。但是在一些非常罕见的情况下，顶夸克也可以通过电弱相互作用产生出来，这正是研究它的性质的好机会。2014年6月13日，《物理评论快报》（PRL）杂志上同时刊登了两篇论文，这两篇论文都报告了通过不同的电弱相互作用产生出单个顶夸克的实验。

利用大型重子对撞机进行粒子对撞研究的CMS合作研究项目的科学家们共同发表论文《质子－质子在8TeV质心系能量下对撞的单顶夸克和W玻色子伴随产生的观测》（Observation of the Associated Production of a Single Top Quark and a W Boson in pp Collisions ats＝8 TeV），报告了在W玻色子存在的情况下通过弱电相互作用首次制造出单个顶夸克的实验。同时，利用Tevatron粒子对撞机进行粒子对撞研究的CDF合作项目和D0合作项目的科学家们也发表了论文《Tevatron上单顶夸克s-道产生的观测》（Observation of s-Channel Production of Single Top Quarks at the Tevatron），报告了用另外一种方式产生单个顶夸克的实验。对于Tevatron粒子对撞机，通过2TeV的能量使质子与反质子发生对撞而产生出单个的顶夸克，是极为罕见的情况，在每1010次碰撞中才会发生一次。在顶夸克通过碰撞被产生出来之后，它会迅速衰变为一个底夸克和一个W玻色子，大约有20%的可能性，W玻色子随后会衰变为一个高能电子或是μ粒子和一个中微子。一个高能量的电子或是μ粒子会在探测器中留下鲜明的信号，但是中微子则会逃脱，不会被探测到。

通常说来，通过电弱相互作用，可能有三种方式产生出单个的顶夸克：t通道（Channel）、s通道和tW通道。利用Tevatron粒子对撞机工作的科学家们，通过质子与反质子在1.96TeV质心系能量的条件下发生对撞，大量的顶夸克以成对的方式（顶夸克与反顶夸克对）通过强相互作用出现，但是也有少量的顶夸克经电弱相互作用通过tW通道单独出现。在欧洲核子中心利用大型重子对撞机进行研究的科学家们，没有通过质子与反质子相碰撞，而是利用质子与质子相撞。这种实验方式因为没有反质子的存在，相对更不容易产生单个的顶夸克，但是因为大型重子对撞机体积巨大，可以使粒子获得更多的能量，他们使质子在8TeV质心系能量——远高于Tevatron粒子对撞机的对撞能量的条件下相撞，因此可以通过s通道产生出单个顶夸克。

通过这种极为罕见的方式产生出单个的顶夸克，虽然在目前仍然可以通过标准模型中描述的行为来解释，但是这个罕见的现象已经足以引导科学家们进一步研究夸克粒子，也会使人们期待，在未来可能会发现新一代的夸克粒子。顶夸克的质量与希格斯玻色子和负责传递电弱相互作用的W玻色子、Z玻色子质量都相近，因此，也有物理学家怀疑，顶夸克在电弱相互作用的对称残缺中扮演了某种角色，使得某种本可能没有质量的基本粒子获得了质量。

自从描述基本粒子的标准模型被建立以来，人们从试图发现这个模型中预测的所有粒子，发展到了试图突破标准模型的限制，寻找物理学新的研究途径，但是至今还没有成功。人们早就意识到了标准模型的局限，它无法包含暗物质和暗能量，这两种占宇宙中90%以上质能的神秘成分。如何突破标准模型的束缚，是近来物理学界的一大难题。这两篇论文所报告的制造单独顶夸克的实验虽然尚未突破标准模型的描述，但是它已经为物理学家指出了一个新的方向。不仅如此，因为顶夸克极高的质量，研究它的性质，始终在高能物理学研究中有特殊的地位，人们有理由期待最近会有更多关于顶夸克的研究成果出现。

（本文写作参考了《物理评论快报》杂志的报道） 新动向科学科普质子质量顶夸克对撞机夸克