姍姍來遲的“頂夸克”

黃德揆

去年初，美國著名的費米實驗室宣布：有充分的證據表明，他們發現了科學界企盼了許多年的頂夸克。頂夸克是夸克家族中的巨人，其質量竟與金原子差不多，幾乎是質子質量的200倍。迄今為止，科學界預言的6種夸克：上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克、頂夸克已全部被發現。這不僅使蓋爾曼、茲韋格在30年前提出的夸克理論有了個完滿結局，同時又使人們對物質結構、對宇宙早期狀態的認識，有了新的飛躍。很明顯，夸克，特別是頂夸克的發現，對物理學的未來，將產生深遠的影響。

夸克之由來

現在我們知道夸克是物質組成的基本粒子。就人類目前能達到的認識水平看，夸克也是不能再分割的基本粒子了。但是在本世紀60年代以前，物理學界不是這樣認為的，那時都把質子、中子等強子當做最小的物質微粒。不過也有人持不同意見，例如1949年，著名物理學家費米與楊振寧認為，核子才是最小的物質物粒。到本世紀50年代末，蓋爾曼學習了楊振寧和米爾斯共同提出的“楊一密爾斯規范場”理論，仿照門捷列夫排列元素周期表的做法，將當時所知道的100多種基本粒子排成一個表。結果發現，這些基本粒子都可以歸納為3種帶分數電荷的新粒子的組合，蓋爾曼稱這3種新粒子為上夸克、下夸克和奇夸克。在此同時，另一名美國科學家茲維克也提出了相同理論。

從上面的介紹我們不難看出，蓋爾曼在解釋未知現象時，虛構了“夸克”粒子，至于它是否存在，也沒有多少人相信。再加上“夸克”一詞難懂，本是英國作家喬埃斯杜撰的名詞，寓意是海鷗的叫聲。所以“夸克”更難以使人認真看待。連蓋爾曼的老師韋斯科夫也反應冷淡地說：“我們不要討論這種無聊的事情?！?/p>

夸克是真實的粒子

1967年，美國實驗物理學家弗里德曼、肯德爾和泰勒在加利福尼亞州斯坦福直線加速器中心進行了一項實驗。他們在一臺長3公里的直線加速器上，用高速運動的電子去轟擊質子和中子，結果發現有些電子沿著很大的角度散射開來，這說明電子在質子和中子內部，碰到了非常小、非常硬的東西，這一發現，與蓋爾曼、茲維克預言的“夸克”十分吻合，經過仔細分析，它們被證實是上夸克、下夸克和奇夸克。從此，夸克也堂而皇之地步入基本粒子大家庭了，因為它們也是真實的粒子。

1974年11月，美籍華人科學家丁肇中，美國科學家里克特同時發現了第4種夸克——粲夸克。

1977年，美國費米實驗室的萊德曼小組又發現了第5種夸克——底夸克。隨著底夸克的發現，理論物理學家預言，自然界一定還存在著第6種夸克——頂夸克。

十幾年又過去了，科學家在美國、在歐洲的各個大型加速器中心都沒發現頂夸克的行蹤。

頂夸克終于被發現了

去年初，美國費米實驗室終于宣布：第6種夸克——頂夸克已經發現。因為它是夸克家族中的巨人，所以要發現它，比發現其它5種夸克要困難得多，它對加速器的功率提出了更高的要求，這是它姍姍來遲的原因。根據愛因斯坦的質能關系公式，只有極高速運動的質子與質子對撞時，才有可能使巨人般的頂夸克偶爾露一下“尊容”。

從1992年8月到1993年5月，費米實驗室的科學家們，在一臺長約6．4公里的巨型加速器的環形隧道中，把自旋方向相反的質子流和反質子流加速到9000億電子伏特的高能狀態后，讓它們互相碰撞。據分析。每經過1百萬次這樣的碰撞，才有可能觀察到一次頂夸克，而且頂夸克出現的時間只有1024分之一秒，之后又衰變成其它粒子。毫無疑問，這樣短暫的一瞬，不要說肉眼觀察，就連眨眼都來不及。不過科學家是通過監測器監測質子流和反質子流的碰撞過程的，而且還要求實驗結果能夠重復。費米實驗室根據統計數據核實，一切無誤后，才于去年初正式宣布：發現了頂夸克，其質量約為174兆電子伏特，是質子質量的174倍。在夸克家族中，它是地道的巨人。這項轟動世界的大發現，肯定也是諾貝爾物理獎最有競爭力的候選對象。

從蓋爾曼等人提出夸克理論，到最后一種夸克的發現。已經歷了30多個春秋。人類雖然以自己的智慧，把夸克——一種海鷗的叫聲，變成為實實在在的粒子，確實是功在千秋。不過我們仍有不少需要解決的疑謎：頂夸克的質量為什么那么大?質量的起源到底是什么?夸克為什么只能幽禁在質子、中子等強子里面……

這一系列問題仍需要我們去摸索、去尋找正確的答案。

(責任編輯／豐霖)