认识顶夸克

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。”