認識頂夸克

　　美國費米實(shí)驗室已正式宣布，發(fā)現物質(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，證實(shí)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)現是不是會(huì )像發(fā)現質(zhì)子、中子，對人類(lèi)生活產(chǎn)生重大影響，仍有待觀(guān)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(guò)，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(shí)科學(xué)家所認知構成物質(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(gè)上夸克與一個(gè)下夸克及膠質(zhì)組成。唯有在粒子物理學(xué)家建構的實(shí)驗室中，才能感覺(jué)到夸克的存在�？淇藰嫵少|(zhì)子、中子，而質(zhì)子、中子又存在于我們周?chē)�每一種物質(zhì)小，但是夸克并不會(huì )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(shí)，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(huì )衰變成其他物質(zhì)。因此，只有在實(shí)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(shí)以極精密的儀器進(jìn)行測量，才能推論出夸克的存在。經(jīng)由實(shí)驗觀(guān)測與理論推算，科學(xué)家認為夸克應該有6種�？茖W(xué)儀器的改進(jìn)，幫助科學(xué)家發(fā)現其他的夸克。因為，粒子加速器能量不斷提升，測量?jì)x器功能不斷改善，粒子碰撞瞬間的速度、能量愈大，測量?jì)x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)家陸續發(fā)現第4、5種夸克，其中“粲夸克”是由華裔科學(xué)家丁肇中領(lǐng)導的研究群在1974年發(fā)現。3年后，李德曼領(lǐng)導的研究群又證實(shí)“底夸克”的存在。尋找最后一種夸克，便是19年來(lái)粒子物理學(xué)家努力的方向，只有證實(shí)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(guò)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(dòng)，速度愈快、能量愈高，碰撞的瞬間才能產(chǎn)生頂夸克。

　　費米實(shí)驗室的加速器周長(cháng)有6.3km，使用1000個(gè)超導磁鐵，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(jìn)行對撞，平均要1兆次的對撞才可能觀(guān)察到1次頂夸克。

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

　　頂夸克的發(fā)現，驗證了粒子物理的理論模型，但是一般人既感覺(jué)不到它的存在，也不會(huì )因為它的發(fā)現生活立刻受到影響，不過(guò)，類(lèi)似的粒子物理學(xué)基礎研究有初步成果發(fā)表時(shí)，實(shí)用價(jià)值往往并不明顯，但絕對具有極高的學(xué)術(shù)價(jià)值。例如，科學(xué)家在原子核內發(fā)現質(zhì)子、中子時(shí)，也不能預知后來(lái)會(huì )利用核分裂、核融合來(lái)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(shuō)：“宇宙剛開(kāi)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(guò)去到未來(lái)的演化歷程。”