顶夸克的发现 [来自档案]

寻找第六种夸克涉及世界上能量最高的碰撞和数千人的团队

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编者注:本文最初发表于1997年9月刊的《大众科学》(原始PDF版本可在下方购买)。我们重新刊登这篇文章是为了纪念Tevatron的结束。

1995年3月,科学家们聚集在费米实验室——位于伊利诺伊州巴达维亚,芝加哥附近的费米国家加速器实验室——参加一个仓促召开的会议,见证一个历史性事件。在背靠背的研讨会上,来自实验室内部竞争实验的物理学家宣布发现了一种新粒子,顶夸克。对粒子物理学标准模型中最后一块缺失部分的数十年 खोज 终于结束了。

顶夸克是第六种,也很可能是最后一种夸克。与轻子——电子及其亲属——一起,夸克是物质的组成部分。最轻的夸克,被称为“上”夸克和“下”夸克,构成了我们熟悉的质子和中子。与电子一起,这些构成了整个元素周期表。较重的夸克(如粲夸克、奇异夸克、顶夸克和底夸克)和轻子,虽然在大爆炸后的早期时刻很丰富,但现在通常只在加速器中产生。《标准模型》描述了这些基本组成部分之间的相互作用。它要求轻子和夸克都成对出现,通常称为世代。


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物理学家自1977年其伙伴底夸克被发现以来就知道顶夸克一定存在。但事实证明,顶夸克非常难以找到。虽然顶夸克是一种没有可辨别结构的基本粒子,但事实证明它的质量为1750亿电子伏特 (GeV)——相当于一个金原子的质量,远大于大多数理论家的预期。质子由两个上夸克和一个下夸克组成,质量略低于 1 GeV。(电子伏特是能量单位,通过E = mc2与质量相关。)

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