頂夸克(Top quark) 是基本粒子之一，屬於費米子中的第三代夸克，也是已知最重的基本粒子，質量達到173.1 ± 0.6 GeV （與鎢原子質量相當），電荷為+2/3，壽命極短只有1E-24s，遠小於強相互作用的時間標度，所以來不及形成強子就衰變了（其他夸克都會形成強子）。1994年4月25日美國費米實驗的CDF實驗組發表了頂夸克存在證據，在收集更多的事例後，1995年初CDF和DØ兩個實驗組分別宣布發現了頂夸克 ，這是粒子物理標準模型中最後一個被發現的夸克。
基本介紹
- 中文名：頂夸克
- 外文名：Top quark
- 發現時間：1994年4月26日
- 發現地點：美國費米實驗室
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概述
夸克粒子學
背景知識
美國費米實驗室已正式宣布，發現了物質組成中第6種、也是最後一種夸克（Quark）——頂夸克（TopQuark）。這項物理學上的重大發現，證實粒子物理理論模型，也讓科學家藉以了解頂夸克性質、了解大自然和物質的起源。至於這項發現是不是會像發現質子、中子，對人類生活產生重大影響，仍有待觀察。
物理學家
不過，1963年美國物理學家蓋爾曼、茲維格提出物質組成的新理論，主張當時科學家所認知構成物質的最小粒子中子、質子等，是由更基本的粒子“夸克”所構成，並提出三種夸克，分別命名為上夸克、下夸克、奇異夸克，例如，質子是由兩個上夸克與一個下夸克及膠子組成。唯有在粒子物理學家建構的實驗室中，才能感覺到夸克的存在。夸克構成質子、中子，而質子、中子又存在於我們周圍每一種物質中，但由於強相互作用的色禁閉，夸克並不會自由獨立地存在於自然界中。
產生
當粒子（電子或質子）以極高的速度（接近光速）發生碰撞時，才有可能產生“夸克”這樣的基本粒子。而且由於碰撞產生的頂夸克的壽命很短，它很快就會衰變成其他粒子。因此，只有在實驗室中，以粒子加速器將電子或質子加速，並使它們在高速下發生碰撞，同時以極精密的儀器進行測量，才能推論出頂夸克的存在。經由實驗觀測與理論推算，科學家認為夸克應該有6種。科學儀器的改進，幫助科學家發現這些夸克。因為，粒子加速器能量不斷提升，測量儀器功能不斷改善，粒子碰撞瞬間的速度、能量愈大，測量儀器愈精密，也愈容易捕捉到瞬間即逝的信號，則產生新粒子的可能性愈高。
發現歷史
1963年後，科學家陸續發現第4、5種夸克，其中“粲夸克”是在1974年由華裔科學家丁肇中領導的實驗組和伯頓.里克特領導的實驗組分別獨立發現，他們也因此獲得了1976年的諾貝爾物理學獎。3年後，李德曼領導的研究組又證實第五種夸克——“底夸克”的存在。尋找最後一種夸克，便是19年來粒子物理學家努力的方向，只有證實頂夸克的存在，粒子物理標準模型才能獲得驗證。頂夸克的質量超過科學家的推測，所以日本的TRISTAN、德國的DESY、美國的SLAC以及歐洲核子中心的SPS都沒能發現它。頂夸克的質量大約是質子質量的200倍，依照相對論的質量與能量轉換公式，以質子對撞方式產生頂夸克，必須使質子以極高的速度運動。速度愈快、能量愈高，碰撞的瞬間產生頂夸克可能性越大。
1994年1月，DØ實驗組發表了頂夸克質量在131GeV以上的限制，隨後4月CDF實驗組給出了第一個頂夸克產生證據，質量為174±10-12GeV。經過短暫的休整，Tevatron的亮度不高的問題得以解決，到1995年初，CDF和DØ收集到足夠多的事例確認了頂夸克的發現，CDF給出的頂夸克質量為176±13 GeV，而D0 給出的結果是199±30 GeV，他們的結果發表在同一期的Phy. Rev. Lett雜誌上。
隨著Tevatron事例的不斷積累，CDF和DØ不斷提高頂夸克性質的測量精度。2010年CERN的大型強子對撞機(LHC) 開始運行，這是目前能量最高的對撞機，可以產生大量的頂夸克事例。科學家們合併了Tevatron 與 LHC的數據， 得到了更精確的頂夸克質量為173.1±0.6 GeV。
發現意義
頂夸克的發現，驗證了粒子物理的理論模型，但是一般人既感覺不到它的存在，也不會因為它的發現生活立刻受到影響。不過，雖然類似的粒子物理學基礎研究有初步成果發表時，實用價值往往並不明顯，但絕對具有極高的學術價值。例如，科學家在原子核內發現質子、中子時，也不能預知後來會利用核分裂、核聚合來產生能量。
參與這項研究的華裔高能物理學家葉恭平說：“宇宙剛開始瞬間，只是基本粒子存在的狀態，找齊6種夸克等基本粒子，將可以協助科學家回溯宇宙的初始階段。因此，可以知道宇宙由過去到未來的演化歷程。”
基本粒子如此之多，難道它們真的都是最基本、不可分的嗎？近40年來大量實驗實事表明至少強子是有內部結構的。
原子是由原子核和電子構成的，原子核是由質子和中子構成的，質子和中子是由什麼構成的呢？這的確是輪中之輪！這些新發現的物質的基本構件構成了質子和中子，當時還沒有名稱。蓋爾—曼於是便杜撰了一個名稱——夸克。而這名稱還真的就這么叫上了。強子是由夸克構成的。古希臘人認為，一切物質都是由為數不多的基本粒子（即他們所謂的“原子”）構成的。這一偉大的原理已被事實證明不那么好理解。基本粒子是否就是夸克？難道夸克也是複合粒子嗎？我們一會兒再來討論這個問題。
當今人們認識的物質結構
當今人們認識的物質結構結構形態
夸克以兩種構型附著在一起構成強子。一種構型是兩個夸克附在一起，另一種構型是三個夸克附在一起。兩個夸克在一起就構成了介子，三個夸克在一起就構成了重子。由於夸克有正反夸克，所以組成的介子和重子也有正反粒子之分。強子中的夸克也有量子能級。能夠通過吸收能量而受激進入較高的級位。受激的強子看上去與其他的強子一樣，於是很多先前被認為是獨立的粒子現在被看作是夸克結合的激發態。
為了解釋所有已知的強子，就必須構想夸克不止一種。在20世紀70年代初，人們構想有三種“味道”的夸克。這三種夸克被異想天開地稱作“上”、“下”、“奇”。後來，出現了更多的強子，又多出了第四種夸克，即“粲”夸克。1973年小林誠和益川敏英在解釋CP對稱性破缺的時候預言了頂夸克及底夸克的存在，並因此獲得了2008年的諾貝爾物理學獎。
夸克理論的基本預設是，夸克本身是真正渾然一體的基本粒子，是一種象點一樣的物體，沒有內部結構。在這方面，夸克頗象輕子，因為輕子不是由夸克組成的，它們本身似乎就是基本粒子。事實上，夸克和輕子之間有著自然的對應，使人們獲得意想不到的機會得以洞見大自然的運作。夸克和輕子之間的系統聯繫見下面的表1。表右邊一欄是夸克的味道，左邊是已知的所有輕子。要記住，輕子感受到的是弱力，而夸克感受到的是強力。輕子和夸克之間還有一個區別是，輕子或是不帶電，或是只帶1個單位的電荷；而夸克則帶3分之1或3分之2單位的電荷。
差別研究
儘管輕子與夸克有著如許的差別，但二者之間存在著深刻的數學對稱，使輕子和夸克在上面的圖表中有了逐層面的對應。第一個層面只有四種粒子：上、下夸克、電子及電中微子。奇怪的是，一切普通的物質竟全是這四種粒子構成的。質子和中子都是由3個的夸克組成的，而電子只是充任構成物質的一種亞原子粒子。中微子只是跑進宇宙里，一點也不參與物質的構造。
亞原子粒子可分為兩大類：輕子和夸克。夸克沒有被發現單獨存在，而是兩個或三個地在一起。夸克的電荷是分數的。一切普通的物質都是由Ⅰ層面的粒子構成的。Ⅱ層面和Ⅲ層面似乎是Ⅰ層面的簡單複製，其中的粒子是高度不穩定的。雖然理論模型並未排除新的層面的存在，但是實驗上通過Z粒子的衰變以及Higgs粒子的產生的研究基本排除了更多層面的可能。
下面一個層面的粒子似乎就是第一個層面的複製，只不過較重而已。第二個層面的粒子都極不穩定（中微子例外），它們所構成的各種粒子很快就衰變為層面Ⅰ的粒子。第三個層面的粒子也是這樣。
於是就必然產生這樣的問題：層面Ⅰ之外的其他粒子有什麼用處呢？為什麼大自然需要它們？在形成宇宙的過程中，它們扮演了什麼角色？它們是多餘的贅物？或者，它們是某種神秘的、現在尚未完全明了的過程的一部分？更為令人不解的問題是，隨著將來能量越來越高的粒子加速器的出現，是否也只有這三個層面的粒子？是否會發現更多的或無窮多的層面？
還有一種複雜的情況加深了我們的不解。為了避免與量子物理學的一個基本原則相衝突，我們必須構想每一種味道的夸克實際上有三種不同的形式，即人們所說的“顏色”。任何一個給定的夸克都必須被看作是某種多層電鍍（比喻說法）的疊加，不斷地閃現出（又是一個比喻說法）“紅”、“綠”、“藍”的顏色。這樣一來，一切又看上去象是亂了套的動物園了。但是，收拾局面的方法就在眼前。對稱又來救駕了。不過，這一次的對稱，其形式更微妙，更深奧的規範對稱性。
規範對稱性
為了理解規範對稱性，我們就得說說物質基本結構分析的另一個大線索：力。不管粒子動物園有多么紛壇複雜，其中看來只有四種基本的力：引力，電磁力（因與日常生活密切相關而廣為人知），弱作用力和強作用力。中子和質子之間的核力，當然不可能是基本力，因為中子和質子本身就是複合物而不是基本粒子。當兩個質子相互吸引時，我們實際上看到的，就是六種夸克相互作用的合力。夸克之間的力才是基本力。與描述電磁場類似，可以用規範對稱性描述夸克之間的強相互作用，而夸克的色就相當於電荷。光子的對應物是所謂的“膠子”，其作用就是像信使那樣，不斷地在夸克之間來回跳動，將夸克膠結在一起。物理學家們仿照電動力學，把這種由“顏色”產生出來的力場理論叫作色動力學。色動力作用要比電磁力作用複雜。這有兩個原因。第一，夸克有三色，而電荷卻只有一種，於是，與一種光子相對應的就是八種不同的膠子。第二，膠子也有顏色，因而彼此也有很強的相互作用，而光子不帶電荷，彼此間又是那么不相干。
