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费米实验室发现顶夸克——算是吧

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编者按:本文最初发表于1994年7月的《大众科学》,描述了首次对顶夸克的初步观察。一年后得到了确认。我们重新发表这篇文章是为了纪念费米实验室加速器(Tevatron)的关闭。

自去年夏天以来,谣言一直在流传,因此正式宣布似乎只是时间问题。当通知到来时,期待已久的媒体马戏团涌入了伊利诺伊州巴塔维亚的费米国家加速器实验室(费米实验室)。然而,费米实验室的发言人却犹豫着是否要提供媒体所需要的内容。“现在,我们不是在声称一项发现,” 收集到结果的数百名物理学家发言人之一小威廉·C·卡里瑟斯谨慎地说。“我们看到的是顶夸克存在的第一个直接暗示,”费米实验室主任小约翰·皮珀斯也强调了这一谨慎的说法:“我向你们保证,我们很快就会有更多的证据。”

当然,预期的奖项值得关注。二十年来,顶夸克一直是高能物理学的圣杯之一。在构成所有物质的六种夸克中,它是唯一一个尚未被观察到的。表征粒子的理论,即所谓的标准模型,表明夸克被组织成三对。第一对包括上夸克和下夸克,它们以不同的组合产生质子和中子。(质子包含两个上夸克和一个下夸克;中子包含一个上夸克和两个下夸克。)另外两对由粲夸克和奇夸克,以及顶夸克和底夸克组成。后两对构成了在高能物理实验室中看到的更奇特、寿命较短的粒子。与夸克一起,被称为轻子的粒子家族(中微子、电子、μ子和τ粒子)构成了宇宙的基本组成部分。


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对顶夸克的探索始于1977年费米实验室发现其伙伴底夸克之后。顶夸克一直难以捉摸,主要是因为它很重(粒子越重,在加速器中产生它所需的能量就越多)。早期的估计将其值定为数百亿电子伏特(GeV)。但是,当加速器未能发现顶夸克时,理论家们意识到该粒子一定比他们想象的要重。

1983年,科学家们在费米实验室完成Tevatron加速器后,最有希望发现顶夸克。作为世界上最强大的加速器,它以1.8万亿电子伏特的能量将质子和反质子碰撞在一起。在这个能量水平下,物理学家认为,每数十亿次碰撞就会产生一次顶夸克。这项搜索需要来自36个机构的440名研究人员的努力,这促使人们赞扬国际合作的优点,并开玩笑说安装一个灯泡需要多少物理学家。到1989年,Tevatron加速器将顶夸克的质量下限设定为91 GeV——这是一个惊人的数字,考虑到下一个质量最大的夸克,底夸克的质量只有5 GeV。

为了获得他们在新闻发布会上宣布的结果,CDF团队成员(他们因费米实验室的对撞机探测器而得名)收集了1992年8月至1993年6月的数据。根据标准模型,顶夸克及其反物质双胞胎可能会在质子-反质子碰撞中出现。顶夸克和反顶夸克会衰变成底夸克和反底夸克,以及一对所谓的W玻色子。CDF的工作人员寻找这些粒子的衰变产物,例如电子、μ子、中微子和介子。

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Philip Yam is the managing editor of ScientificAmerican.com, responsible for the overall news content online. He began working at the magazine in 1989, first as a copyeditor and then as a features editor specializing in physics. He is the author of The Pathological Protein: Mad Cow, Chronic Wasting and Other Prion Diseases.

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