顶夸克

夸克粒子学

美国费米实验室已正式宣布，发现 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。

顶夸克不过，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，但是夸克并不会自然、独立存在于 自然界中。

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夸克 能量相当高，它很快就会衰变成其他物质。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，帮助科学家发现其他的夸克。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。

1963年后，科学家陆续发现第4、5种夸克，其中“粲夸克”是由华裔科学家 丁肇中领导的研究群在1974年发现。3年后，李德曼领导的研究群又证实“ 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，粒子物理学理论才能获得验证。顶夸克的质量超过科学家的推测。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。

费米实验室的加速器周长有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。实验显示， 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。

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，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年物理奖。

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？难道夸克也是复合体吗？我们一会儿再来讨论这个问题。

夸克以两种构型附着在一起。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。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现在被看作是单个夸克结合的受激状态。

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。近来，出现了更多的 粒子，人们认为还得有另外两种夸克：“顶”夸克和“底”夸克。现在，很多种粒子作用都可以借助详细的夸克计算获得系统的了解。

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，没有内部成分。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。

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 中子是由3个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大体构造。就我们所知，假如其他的 粒子都突然消失了，只要有这四种粒子，宇宙就不会有多大变化。

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。可能尚有未发现的层面。

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、现在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，怪不得被人们称作 超对称。^[1]

为了理解超对称，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 强力，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。可以用描述电磁场的方式描述夸克之间的力，而夸克的色就相当于 电荷。 质子的对应物是所谓的“ 胶子”，其作用就是像访使那样，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。