“夸克家族”的新發現

徐偉

最近有科學報道稱，粒子物理學家已經測定出目前為止最準確的頂夸克質量，這一結果對未來基礎物理學的發展影響重大。但是，很多人并不熟悉這個令人捉摸不定的“小朋友”——頂夸克，那么我們就從“夸克家族”說起，一起了解一下這個“世界最小家族”的秘密。

夸克的分類與命名

在原子構成的世界里，萬物都是由原子組成的。在學習中學物理的時候，老師告訴我們原子是由原子核和繞核高速運動的電子組成的，而原子核是由帶電的質子和不帶電的中子組成的。質子和中子還可以細分嗎？當代粒子物理學家認為“細分，是可以的”。原子核的細分粒子統稱為強子，強子則是由夸克組成的。在目前的科學水平下，我們可以說夸克就是構成物質的最基本單元。但與電子、中子、質子不同，夸克是不能單獨分離出來的，這種現象被稱為“夸克禁閉”。

“夸克家族”的成員很特別，它們是按照不同的 “味道”進行分類的。為何會有這種奇特的分類方法呢？這還要從20世紀70年代一個發生在冰淇淋店的故事談起。

1971年的一天，美國物理學家、“夸克之父”默里·蓋爾曼和德國物理學家哈羅德·弗里奇在美國加州一家名叫巴斯肯·羅賓斯的冰淇淋店閑談。他們發現冰淇淋口味多種多樣，于是他們決定用“味道”來區分不同的夸克和輕子。質量小的粒子被稱為“輕味”，質量大的粒子被稱為“重味”。科學家最終將夸克分為6種“味道”，分別為上夸克、下夸克、粲夸克、奇異夸克、底夸克和頂夸克。但此時的“夸克家族”還是理論模型，還需要實驗物理學家來檢驗它們是否真實存在。

實驗發現“夸克家族”

1974年，美國斯坦福大學直線加速器實驗室的科學家里克特和布魯克海文國家實驗室加速器實驗組，幾乎同時發現了粲夸克，其中布魯克海文國家實驗室的實驗組領導人是華裔物理學家丁肇中。科學家觀測到粲夸克在介子里面與一個反粲夸克束縛在一起。該介子被稱為J/ψ粒子。1976年，里克特和丁肇中獲得了諾貝爾物理學獎。

在“夸克家族”中，上夸克、下夸克是質量最小的，頂夸克則是目前發現最重的夸克，

它的質量是質子質量的185倍。最先發現頂夸克的是美國費米國家實驗室。1994年3月2日，費米國家實驗室發布報告會，兩個實驗組CDF和DZERO共同證實了對頂夸克的觀測。其實，早在1992年10月，這兩個研究組就已經捕捉到頂夸克存在的線索，但為了得出更確實的結論，在接下來的日子里，物理學家們一直在搜集更多的證據。

測定最準確夸克質量

除了上夸克、下夸克，其他4種夸克都只能在高能加速器上才能觀測到。這也是各國不惜動用巨資建設高能加速器的原因之一。

2014年3月19日，來自費米國家實驗室的萬億電子伏加速器和歐洲核子中心大型強子對撞機的實驗物理學家，合作發布了目前最準確的頂夸克質量測定結果。來自萬億電子伏加速器的CDF和DZERO探測器實驗組以及來自大型強子對撞機的ATLAS、CMS實驗組共同公布的結果為173.34（+/-0.76）GeV/c2（GeV表示十億電子伏，為能量，GeV/ c2則是質量的單位）。該結果將為科學家驗證標準模型的數學框架提供基礎，為闡明頂夸克、希格斯粒子以及弱電相互作用粒子W波色子之間的量子力學關系奠定基礎。

揭秘夸克，理解物質世界

夸克同時擁有電荷、質量、色荷、“味”4種屬性，是唯一一種能經受現代物理學中全部4種相互作用的已知粒子，這4種作用為：電磁、引力、強相互作用及弱相互作用。夸克的發現和相關性質的精確測定，對人類解釋宇宙的起源也有著重要意義。

頂夸克質量的精確測定使物理學對最基本粒子的描述更加準確，對基本物理理論的描述更加精準。頂夸克屬性的精確測定還可能會影響到其他基本粒子的理論，比如希格斯粒子場。另外，歐洲核子中心和美國費米實驗室的這次合作，是一種既具有競爭又存在相互驗證的全新合作模式，這也預示著將來科學家會通過聯合研究獲得更多、更精準的實驗結果。

【責任編輯】張小萌

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“夸克之父”蓋爾曼

1929年，美國物理學家默里·蓋爾曼出生于紐約市一個猶太家庭。蓋爾曼在童年時就對科學有濃厚興趣，被人稱為“神童”，他14歲進入耶魯大學，后來在麻省理工學院獲博士學位，年僅22歲。蓋爾曼從科學神童到獲得諾貝爾物理學獎，可以用漸入佳境來形容：24歲發現了基本粒子的一個新量子數——奇異數，28歲建立了正確描述弱相互作用的V-A理論，32歲提出了強子分類的八正法（相當于介子和重子的門捷列夫周期表），35歲創立了夸克模型，40歲榮獲諾貝爾物理學獎。

這些重大理論中的每一項突破，也曾由別人獨立地提出過，但只有蓋爾曼一人對所有發現都有原創性的貢獻。其中夸克模型（預言中子、質子這類亞原子粒子是由更基本的單元——夸克組成的）是蓋爾曼與G.茨威格各自獨立提出的。但是，“夸克”這一名稱由蓋爾曼提出——來自他少年時讀過的小說《芬尼根的蘇醒》中的詩句。endprint