認識頂夸克

　　美國費米實驗室已正式宣布，發(fā)現(xiàn)物質(zhì)組成中第6種、也是最后一種夸克（Quark）——頂夸克（TopQuark）。這項物理學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)，證實粒子物理理論模型，也讓科學(xué)家藉以了解頂夸克性質(zhì)、了解大自然和物質(zhì)的起源。至于這項發(fā)現(xiàn)是不是會像發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子，對人類生活產(chǎn)生重大影響，仍有待觀察。

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

　　不過，1963年美國物理學(xué)家蓋爾曼、茲維格提出物質(zhì)組成的新理論，主張當時科學(xué)家所認知構(gòu)成物質(zhì)的最小粒子中子、質(zhì)子等，是由更基本的粒子“夸克”所構(gòu)成，并提出三種夸克，分別命名為上夸克、下夸克、奇夸克，例如，質(zhì)子是由兩個上夸克與一個下夸克及膠質(zhì)組成。唯有在粒子物理學(xué)家建構(gòu)的實驗室中，才能感覺到夸克的存在�？淇藰�(gòu)成質(zhì)子、中子，而質(zhì)子、中子又存在于我們周圍每一種物質(zhì)小，但是夸克并不會自然、獨立存在于自然界中。

　　當粒子（電子或質(zhì)子）以極高的速度（接近光速）發(fā)生碰撞時，才有可能產(chǎn)生“夸克”這樣的基本粒子。而且由于碰撞產(chǎn)生的夸克能量相當高，它很快就會衰變成其他物質(zhì)。因此，只有在實驗室中，以粒子加速器將電子或質(zhì)子加速，并使它們在高速下發(fā)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(jīng)由實驗觀測與理論推算，科學(xué)家認為夸克應(yīng)該有6種。科學(xué)儀器的改進，幫助科學(xué)家發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生新粒子的可能性愈高。

　　1963年后，科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)第4、5種夸克，其中“粲夸克”是由華裔科學(xué)家丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的研究群在1974年發(fā)現(xiàn)。3年后，李德曼領(lǐng)導(dǎo)的研究群又證實“底夸克”的存在。尋找最后一種夸克，便是19年來粒子物理學(xué)家努力的方向，只有證實頂夸克的存在，粒子物理學(xué)理論才能獲得驗證。頂夸克的質(zhì)量超過科學(xué)家的推測。頂夸克的質(zhì)量大約是質(zhì)子質(zhì)量的200倍，依照相對論的質(zhì)量與能量轉(zhuǎn)換公式，以質(zhì)子對撞方式產(chǎn)生頂夸克，必須使質(zhì)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(chǎn)生頂夸克。

　　費米實驗室的加速器周長有6.3km，使用1000個超導(dǎo)磁鐵，把質(zhì)子與反質(zhì)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(xiàn)后，“隨即”消失。實驗顯示，頂夸克出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，驗證了粒子物理的理論模型，但是一般人既感覺不到它的存在，也不會因為它的發(fā)現(xiàn)生活立刻受到影響，不過，類似的粒子物理學(xué)基礎(chǔ)研究有初步成果發(fā)表時，實用價值往往并不明顯，但絕對具有極高的學(xué)術(shù)價值。例如，科學(xué)家在原子核內(nèi)發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子時，也不能預(yù)知后來會利用核分裂、核融合來產(chǎn)生能量。

　　參與這項研究的華裔高能物理學(xué)家葉恭平說：“宇宙剛開始瞬間，只是基本粒子存在的狀態(tài)，找齊6種夸克等基本粒子，將可以協(xié)助科學(xué)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。”