頂夸克

頂夸克（TopQuark）是物質組成中的第6種、也是最後一種夸克（Quark），1994年4月6日由美國費米實驗室發現。這項物理學上的重大發現，證實粒子物理理論模型，也讓科學家藉以了解頂夸克性質、了解大自然和物質的起源。但這項發現是不是會像發現質子、中子，對人類生活產生重大影響，仍有待觀察。

夸克是比質子、中子更微小的物質組成基本粒子。在60年代以前，物理學界認為質子、中子是最小的物質組成粒子。

1963年美國物理學家蓋爾曼、茲維格提出物質組成的新理論，主張當時科學家所認知構成物質的最小粒子中子、質子等，是由更基本的粒子“夸克”所構成，並提出三種夸克，分別命名為上夸克、下夸克、奇夸克。

1963年後，科學家陸續發現第4、5種夸克，其中“粲夸克”是由華裔科學家丁肇中領導的研究群在1974年發現。3年後，李德曼領導的研究群又證實“底夸克”的存在。尋找最後一種夸克，是粒子物理學家努力的方向，只有證實頂夸克的存在，粒子物理學理論才能獲得驗證。

從20世紀70年代末，粒子物理學家就開始尋找頂夸克，美國費米國家實驗室專門建立了超高能質子、反質子對撞機，其質心能量約為質子質量的1800多倍，直接用來探測頂夸克。在美國費米國家實驗室的超高能對撞機上，建立了兩個國際性合作的實驗組CDF和DO，並獨立地進行尋找頂夸克。僅CDF實驗組的合作成員就有398人，來自加拿大、美國、中國、義大利和日本五個國家，其中美國國內的成員來自於14個州的34個機構，直到1994年初，CDF實驗組首次觀察到了頂夸克的直接證據。1995年初，CDF和DO兩個實驗組同時宣布，他們通過所謂的“單輕子道”和“雙輕子道”的過程直接觀察到了頂夸克的存在，並測量出了頂夸克的質量，結果它比同代的底夸克重30多倍。其質量是質子質量的180多倍，出乎人們最初的意料。

單頂夸克是頂夸克的一個罕見種類。2009年3月，費米實驗室科學家宣布，他們在粒子對撞實驗中觀察到了單個頂夸克的產生。

頂夸克只是在強核力產生時才能觀察到，這種相互作用可導致產生一對頂夸克。單頂夸克的產生涉及到弱核力，因此很難用實驗進行證明。每200億次質子—反質子碰撞中只有一次才能產生一個單頂夸克，而這些非常罕見的信號還很容易與那些發生幾率高得多的其他“背景”進程相混淆。發現單頂夸克需要從很大的背景中提取一個極小的信號。單頂夸克信號和希格斯玻色子信號具有相同的背景，單頂夸克本身就是尋找希格斯玻色子的一個背景。

單頂夸克的發現證實了粒子物理學中包括夸克總數在內的一些重要參數，也是Tevatron計劃的一個重要里程碑，高靈敏度和成功的分析是尋找希格斯粒子的重要一步。

根據CDF和DØ的估算，頂夸克的產生截面約為6.6Pb，由頂夸克衰變而來的W玻色子具有同其一致的偏振，因此這些玻色子可用於探測頂夸克。在標準模型的預測中，頂夸克所帶的電荷為正2⁄3 e，DØ的數據研究表明其吻合的概率為90%。

質量為173.1±1.3GeV/c2，質子的質量也不過938MeV[。和其他夸克一樣，頂夸克屬於費米子，具有1⁄2的自旋，帶有+2⁄3電荷。頂夸克的反粒子被稱為反頂夸克，兩者質量相同。

頂夸克通過強作用力同其他基本粒子相作用，通過弱力衰變為W玻色子和底夸克，有時也會衰變為奇夸克。頂夸克可以衰變為下夸克，但這種情況非常罕見。根據標準模型的預測頂夸克的壽命僅為5×10-25s不過頂夸克極短的壽命使得其來不及在強相互作用力的影響下形成強子，這給科學們提供了一個觀測獨立夸克的機會。頂夸克的存在在某種程度上也為日後發現希格斯子提供了理論上的可能性。

頂夸克衰變為底夸克的分支比約為0.99，在標準模型的預測下同|Vtb|2相當，這也從側面驗證了卡比博-小林-益川矩陣。標準模型也允許其他衰變的存在，例如發射出一個膠子或是Z玻色子之後，頂夸克可以衰變為自旋為+1/2的上夸克或是粲夸克。雖然標準模型預測在95%的置信度上發射膠子衰變的概率為千分之六，發射z波色子的概率為4%，然而尚未發現能夠符合理論預測的證據。

當粒子（電子或質子）以極高的速度（接近光速）發生碰撞時，才有可能產生“夸克”這樣的基本粒子。而且由於碰撞產生的夸克能量相當高，它很快就會衰變成其他物質。因此，只有在實驗室中，以粒子加速器將電子或質子加速，並使它們在高速下發生碰撞，同時以極精密的儀器進行測量，才能推論出夸克的存在。經由實驗觀測與理論推算，科學家認為夸克應該有6種。科學儀器的改進，幫助科學家發現其他的夸克。因為，粒子加速器能量不斷提升，測量儀器功能不斷改善，粒子碰撞瞬間的速度、能量愈大，測量儀器愈精密，也愈容易捕捉到瞬間即逝的信號，則產生新粒子的可能性愈高。

頂夸克的質量超過科學家的推測。頂夸克的質量大約是質子質量的200倍，依照相對論的質量與能量轉換公式，以質子對撞方式產生頂夸克，必須使質子以極高的速度運動，速度愈快、能量愈高，碰撞的瞬間才能產生頂夸克。

費米實驗室的加速器周長有6.3km，使用1000個超導磁鐵，把質子與反質子加速到各具有九千億電子伏特的能量后，進行對撞，平均要1兆次的對撞才可能觀察到1次頂夸克。

頂夸克出現后，“隨即”消失。實驗顯示，頂夸克出現后，便在1×10-24s（觀察者還來不及眨眼的瞬間）衰變成其他粒子。

頂夸克的發現，完善了粒子物理標準模型，但它並不意味著粒子物理已大功告，相反，它標誌著探索更基本理論的開始，如標準模型與引力的統一被認為是本世紀理論物理最重大的課題之一。

宇宙剛開始瞬間，只是基本粒子存在的狀態，找齊6種夸克等基本粒子，將可以協助科學家回溯宇宙的初始階段。因此，可以知道宇宙由過去到未來的演化歷程。