“夸克家族”的新發(fā)現(xiàn)

徐偉

最近有科學(xué)報(bào)道稱，粒子物理學(xué)家已經(jīng)測(cè)定出目前為止最準(zhǔn)確的頂夸克質(zhì)量，這一結(jié)果對(duì)未來基礎(chǔ)物理學(xué)的發(fā)展影響重大。但是，很多人并不熟悉這個(gè)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(gè)“世界最小家族”的秘密。

夸克的分類與命名

在原子構(gòu)成的世界里，萬物都是由原子組成的。在學(xué)習(xí)中學(xué)物理的時(shí)候，老師告訴我們?cè)邮怯稍雍撕屠@核高速運(yùn)動(dòng)的電子組成的，而原子核是由帶電的質(zhì)子和不帶電的中子組成的。質(zhì)子和中子還可以細(xì)分嗎？當(dāng)代粒子物理學(xué)家認(rèn)為“細(xì)分，是可以的”。原子核的細(xì)分粒子統(tǒng)稱為強(qiáng)子，強(qiáng)子則是由夸克組成的。在目前的科學(xué)水平下，我們可以說夸克就是構(gòu)成物質(zhì)的最基本單元。但與電子、中子、質(zhì)子不同，夸克是不能單獨(dú)分離出來的，這種現(xiàn)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(jìn)行分類的。為何會(huì)有這種奇特的分類方法呢？這還要從20世紀(jì)70年代一個(gè)發(fā)生在冰淇淋店的故事談起。

1971年的一天，美國(guó)物理學(xué)家、“夸克之父”默里·蓋爾曼和德國(guó)物理學(xué)家哈羅德·弗里奇在美國(guó)加州一家名叫巴斯肯·羅賓斯的冰淇淋店閑談。他們發(fā)現(xiàn)冰淇淋口味多種多樣，于是他們決定用“味道”來區(qū)分不同的夸克和輕子。質(zhì)量小的粒子被稱為“輕味”，質(zhì)量大的粒子被稱為“重味”?？茖W(xué)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(shí)的“夸克家族”還是理論模型，還需要實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來檢驗(yàn)它們是否真實(shí)存在。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)“夸克家族”

1974年，美國(guó)斯坦福大學(xué)直線加速器實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家里克特和布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室加速器實(shí)驗(yàn)組，幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)了粲夸克，其中布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)組領(lǐng)導(dǎo)人是華裔物理學(xué)家丁肇中?？茖W(xué)家觀測(cè)到粲夸克在介子里面與一個(gè)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(xué)獎(jiǎng)。

在“夸克家族”中，上夸克、下夸克是質(zhì)量最小的，頂夸克則是目前發(fā)現(xiàn)最重的夸克，

它的質(zhì)量是質(zhì)子質(zhì)量的185倍。最先發(fā)現(xiàn)頂夸克的是美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。1994年3月2日，費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)布報(bào)告會(huì)，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組CDF和DZERO共同證實(shí)了對(duì)頂夸克的觀測(cè)。其實(shí)，早在1992年10月，這兩個(gè)研究組就已經(jīng)捕捉到頂夸克存在的線索，但為了得出更確實(shí)的結(jié)論，在接下來的日子里，物理學(xué)家們一直在搜集更多的證據(jù)。

測(cè)定最準(zhǔn)確夸克質(zhì)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(cè)到。這也是各國(guó)不惜動(dòng)用巨資建設(shè)高能加速器的原因之一。

2014年3月19日，來自費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的萬億電子伏加速器和歐洲核子中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，合作發(fā)布了目前最準(zhǔn)確的頂夸克質(zhì)量測(cè)定結(jié)果。來自萬億電子伏加速器的CDF和DZERO探測(cè)器實(shí)驗(yàn)組以及來自大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的ATLAS、CMS實(shí)驗(yàn)組共同公布的結(jié)果為173.34（+/-0.76）GeV/c2（GeV表示十億電子伏，為能量，GeV/ c2則是質(zhì)量的單位）。該結(jié)果將為科學(xué)家驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)模型的數(shù)學(xué)框架提供基礎(chǔ)，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(xué)關(guān)系奠定基礎(chǔ)。

揭秘夸克，理解物質(zhì)世界

夸克同時(shí)擁有電荷、質(zhì)量、色荷、“味”4種屬性，是唯一一種能經(jīng)受現(xiàn)代物理學(xué)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(qiáng)相互作用及弱相互作用?？淇说陌l(fā)現(xiàn)和相關(guān)性質(zhì)的精確測(cè)定，對(duì)人類解釋宇宙的起源也有著重要意義。

頂夸克質(zhì)量的精確測(cè)定使物理學(xué)對(duì)最基本粒子的描述更加準(zhǔn)確，對(duì)基本物理理論的描述更加精準(zhǔn)。頂夸克屬性的精確測(cè)定還可能會(huì)影響到其他基本粒子的理論，比如希格斯粒子場(chǎng)。另外，歐洲核子中心和美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的這次合作，是一種既具有競(jìng)爭(zhēng)又存在相互驗(yàn)證的全新合作模式，這也預(yù)示著將來科學(xué)家會(huì)通過聯(lián)合研究獲得更多、更精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

【責(zé)任編輯】張小萌

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“夸克之父”蓋爾曼

1929年，美國(guó)物理學(xué)家默里·蓋爾曼出生于紐約市一個(gè)猶太家庭。蓋爾曼在童年時(shí)就對(duì)科學(xué)有濃厚興趣，被人稱為“神童”，他14歲進(jìn)入耶魯大學(xué)，后來在麻省理工學(xué)院獲博士學(xué)位，年僅22歲。蓋爾曼從科學(xué)神童到獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，可以用漸入佳境來形容：24歲發(fā)現(xiàn)了基本粒子的一個(gè)新量子數(shù)——奇異數(shù)，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(qiáng)子分類的八正法（相當(dāng)于介子和重子的門捷列夫周期表），35歲創(chuàng)立了夸克模型，40歲榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

這些重大理論中的每一項(xiàng)突破，也曾由別人獨(dú)立地提出過，但只有蓋爾曼一人對(duì)所有發(fā)現(xiàn)都有原創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。其中夸克模型（預(yù)言中子、質(zhì)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(dú)立提出的。但是，“夸克”這一名稱由蓋爾曼提出——來自他少年時(shí)讀過的小說《芬尼根的蘇醒》中的詩句。endprint