顶夸克找到之后干什么？

发布时间：96年01月26日

Ivars Peterson 编译孙家明

激动的心情终于平静了，喧闹声也停止了，顶夸克的发现已的的确确成为现实。但是，对于伊利诺斯州巴达维亚费米加速器实验室（简称费米实验室）的850多位物理学家来说，这种工作还在继续。在Tevatron对撞机中，质子仍在和反质子碰撞着，巨型探测器还在记录这些高能量碰撞的结果。研究人员在这些大量的资料中，寻找着顶夸克的特有的而又极其罕见的轨迹。

现在的工作重点已由寻找顶夸克转移到了揭示这一转瞬即逝的粒子的确切特征——从这些零落出现的残迹中复核和确定它的质量、生存方式和寿命——上来。现在的目标是，尽力揭示出顶夸克在粒子物理学——基本粒子和自然力的主要理论——标准模型中的分裂方式。

顶夸克是进入新型物理学的大门，费米实验室的理论家克里斯托弗 · 希尔（Christopher T. Hill）认为。

4月3日《物理评论》的报告中谈到，顶夸克的发现是标准模型中的一项突出成就。

根据这一理论，所有物质均由6种强相互作用的基本粒子（即夸克）和6种弱相互作用的粒子（即轻子）组成。这6个一组中的粒子每两个配成一对，为了增加质量，这些配对粒子匀称地排列在一起。

电子和电子中微子、M介子和M介子中微子以及r和r中微子组成了轻子家族，这里只有电子是普通物质的一部分。

二种夸克一上、下夸克——结合成原子核中的质子和中子。另三种夸克——奇异、粲和底夸克——已在粒子加速器中找到。这次新发现的顶夸克是长期以来要寻找的底夸克的配对物。

标准模型中的基本粒子表

这种标准模型还包括所谓的量子色动力学，这一理论是描述通过强作用力夸克是怎样结合在一起的，以及电磁力和弱相互作用的统一场论。弱作用力是支配轻子和夸克的相互作用的，这种力由叫做玻色子的粒子所携带，在这些物质粒子和产生它们的相互作用力之间穿梭。

但是，基本粒子的标准模型和它们的相互作用表明，关于夸克和轻子的质量不能直接测量出。这些粒子可以分列出来，然而却无法解释它们的存在状态和各自特征，这有点像周期表中的化学元素分类，它无法画出一张原子模型图来说明这些元素属于不同组的原因。

事实上，顶夸克非常之重。费米实验室的对撞机探测器（CDF）测出的结果指出，顶夸克的质量为1760亿电子伏，误差为130亿电子伏。费米实验室的DZero探测器的资料显示，它的质量为1990亿电子伏，误差为300亿电子伏，这样，顶夸克的质量约是底夸克质量的40倍。

“现在的难题是，需要搞清顶夸克是由什么组成的，”纽约州立大学石溪分校的保罗 · 格兰尼斯（Paul D. Grannis）说。

总而言之，夸克和轻子中隐藏着极其重大的尚待解开的奥秘，然而大多数粒子物理家对于这些粒子的基本结构还不清楚。

理论家们认为，这些基本粒子的质量取决于每种类型的粒子和假设的称为希格斯（Higgs）场的实体相互作用的强度，希格斯场占据着其余的空间。例如，一个电子的质量非常小，就是因为它和这种场的作用力非常弱。夸克与其相互作用力强，因此它的质量也就大得多。

“但是，希格斯的作用机理还不清楚，”希尔说，“这个理论我们可以拿来用，但是它并不能告诉我们它们的运动状态。”

现在令人困惑的是，我们只知道顶夸克的质量取决于与希格斯场的关系以及与希格斯的作用机理，然而希格斯场与这些基本粒子是怎样结合的还不清楚。

根据带力粒子穿梭于物质粒子之间的认识也能够解释希格斯场。物理学家们将这些带力粒子称为希格斯玻色子。

“大自然本身已经告诉我们关于顶夸克的一些非常奇妙的东西，”希尔说，“许多理论家认为，关于希格斯作用机理的一些重要知识已为我们所知。也许我们已经开始进入标准模型的质量力学时代。”

在一些理论系统中，希格斯玻色子实际上是一种由顶夸克和它们的反物质（称为反顶夸克）组成的合成物。这种结合表明，顶夸克中还存在着另一种力。因此，顶夸克可能在所有物质粒子的质量的产生上起着特别的作用，格兰尼斯说。

“只靠顶夸克就成了一个实验室，”费米实验室主任约翰 · 小皮奥普利斯（John Peoples）补充道，“最重要的是，我们要搞清它是怎样产生的。通常情况下，高能物理学探测的途径是——为了获得这种最重的粒子，当它出现时我们就要搞清到底发生了什么，

要揭开可能存在的新力和外来粒子之谜需要精确地测出顶夸克的质量、寿命和衰变方式，也就是说要搞清顶夸克和反顶夸克的许多情况。

这不是一件简单的事情，当费米实验室Tevatron加速器中的质子和反质子在100亿次的碰撞和湮灭中产生的顶夸克和反顶夸克对可能还不到一次。一旦产生，这些大而重的夸克几乎立即衰变成其它粒子。

研究人员果然找到一些类似顶夸克特征的衰变。通常，顶夸克和反顶夸克每次立即衰变成一个W粒子—携带弱力的粒子——和一个底夸克，W粒子然后可能衰变成一个较轻的夸克和一个反夸克，或者衰变成一对轻子（一个电子和一个电子中微子或者一个p介子和一个M介子中微子）。底夸克也衰变成一个更轻的夸克。这些轻夸克依次一级级地分裂下去，在探测器中它们以气流的形式出现。

目前，费米实验室的研究人员每年只能观察到顶夸克出现的事件50次。然而，用这台Tevatron现在释放质子和反质子到它的2台探测器中便打破了这一纪录，研究人员期待着到今年底顶夸克出现的事件将会翻番。

用这些资料，“我们就可以将寻找顶夸克转移到研究它的详细特征上来”，CDF组成员，加州劳伦斯 · 伯克莱实验室的威廉 · 小卡里塞斯（William C. Crithers）说。

这种分析的关键性之一是要搞清在特定事件中的顶夸克和反顶夸克对结合在一起的质量。物理学家可能找到一种新的重粒子产生的证据——一个介子衰变成一个顶夸克和一个反顶夸克——来自最初的质子和反质子的碰撞和湮灭的能量之中，这是可能的。

“在标准模型中，这些粒子都不存在候补者"，格兰尼斯说：“这就是为什么说这是一项有趣的研究。我们希望将这些认识补充到我们目前的知识中去。”

另一个重要的参数是顶夸克的寿命。它的寿命非常之短，所以不可能直接测出，研究人员必须通过研究一个顶夸克衰变成一个底夸克和一个W玻色子来推断这一参数。

资料多了，物理学家们可能会开始寻找更为罕见的衰变类型。根据这种标准模型，一个顶夸克应该总是衰变成一个W玻色子和一个底夸克，但是这一过程也可能还会产生一个更轻的夸克。

“我们正在研究这种可能性，同时还要把我们这些有限的资料再增加一些，”卡里塞斯说。当新资料补充进来时，原来的这些资料可能会觉得更少也更为有趣。

此外，探索这种大而重的顶夸克使得它的衰变可能足以捜索各种外来粒子。例如，允许强力和电弱力的统一的所谓的超对称论，可以断定每一种组成物质的费密子对（轻子和夸克）和标准模型中的带力玻色子的存在，实际上，在加速器中还没有人找到这些附加粒子，这就表明，如果它们存在，超对称性粒子必然是大而重的。

到12月底，这台Teratron将关闭3年。在关闭期间，这台设备和它的两台探测器将经过改造，以便使费米实验室研究顶夸克的能力增大。称为主喷射器（Main Injector）的一台新加速器将是这种新装置的关键部件，预计1999年完成。

在这期间，研究人员可能还将完成包括对固定靶发射强力粒子的试验。他们的目标之一是观察τ中微子和它与物质粒子的相互作用。物理学家们已经获得τ中微子存在的间接证据，但还没有搞清它的特征。

然而，最引人注目的和最令人兴奋的发现可能还在今后。

“这种升级装置将让我们从出现几十次事件跃到几千次事件的出现，这样我们不但能看到顶夸克的产生，而且还能搞清它的衰变方式，以便得到这些粒子为什么这么重的线索，”格兰尼斯说。这样，这项研究就可使物理学家们在回答这一基本问题——组成宇宙的这些粒子的质量为什么不一样——的过程中又近了一些。