认识顶夸克

2015/3/4 11:13:00作者:佚名来源:网络查看评论0条)字号:
  美国费米实验室已正式宣布,发现物质组成中第6种、也是最后一种夸克(Quark)——顶夸克(Top Quark)。这项物理学上的重大发现,证实粒子物理理论模型,也让科学家藉以了解顶夸克性质、了解大自然和物质的起源。至于这项发现是不是会像发现质子、中子,对人类生活产生重大影响,仍有待观察。
  
  夸克是比质子、中子更微小的物质组成基本粒子。在60年代以前,物理学界认为质子、中子是最小的物质组成粒子。
  
  不过,1963年美国物理学家盖尔曼、兹维格提出物质组成的新理论,主张当时科学家所认知构成物质的最小粒子中子、质子等,是由更基本的粒子“夸克”所构成,并提出三种夸克,分别命名为上夸克、下夸克、奇夸克,例如,质子是由两个上夸克与一个下夸克及胶质组成。 唯有在粒子物理学家建构的实验室中,才能感觉到夸克的存在。夸克构成质子、中子,而质子、中子又存在于我们周围每一种物质小,但是夸克并不会自然、独立存在于自然界中。
  
  当粒子(电子或质子)以极高的速度(接近光速)发生碰撞时,才有可能产生“夸克”这样的基本粒子。而且由于碰撞产生的夸克能量相当高,它很快就会衰变成其他物质。因此,只有在实验室中,以粒子加速器将电子或质子加速,并使它们在高速下发生碰撞,同时以极精密的仪器进行测量,才能推论出夸克的存在。 经由实验观测与理论推算,科学家认为夸克应该有6种。科学仪器的改进,帮助科学家发现其他的夸克。因为,粒子加速器能量不断提升,测量仪器功能不断改善,粒子碰撞瞬间的速度、能量愈大,测量仪器愈精密,也愈容易捕捉到瞬间即逝的信号,则产生新粒子的可能性愈高。
  
  1963年后,科学家陆续发现第4、5种夸克,其中“粲夸克”是由华裔科学家丁肇中领导的研究群在1974年发现。3年后,李德曼领导的研究群又证实“底夸克”的存在。寻找最后一种夸克,便是19年来粒子物理学家努力的方向,只有证实顶夸克的存在,粒子物理学理论才能获得验证。 顶夸克的质量超过科学家的推测。顶夸克的质量大约是质子质量的200倍,依照相对论的质量与能量转换公式,以质子对撞方式产生顶夸克,必须使质子以极高的速度运动,速度愈快、能量愈高,碰撞的瞬间才能产生顶夸克。
  
  费米实验室的加速器周长有6.3km,使用1000个超导磁铁,把质子与反质子加速到各具有九千亿电子伏特的能量后,进行对撞,平均要1兆次的对撞才可能观察到1次顶夸克。
  
  顶夸克出现后,“随即”消失。实验显示,顶夸克出现后,便在1×10-24s(观察者还来不及眨眼的瞬间)衰变成其他粒子。
  
  顶夸克的发现,验证了粒子物理的理论模型,但是一般人既感觉不到它的存在,也不会因为它的发现生活立刻受到影响,不过,类似的粒子物理学基础研究有初步成果发表时,实用价值往往并不明显,但绝对具有极高的学术价值。例如,科学家在原子核内发现质子、中子时,也不能预知后来会利用核分裂、核融合来产生能量。
  
  参与这项研究的华裔高能物理学家叶恭平说:“宇宙刚开始瞬间,只是基本粒子存在的状态,找齐6种夸克等基本粒子,将可以协助科学家回溯宇宙的初始阶段。因此,可以知道宇宙由过去到未来的演化历程。”

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