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頂夸克

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頂夸克
組成基本粒子
系費米子
代第三代
基本相互作用強, 弱, 電磁力, 萬有引力
符號t
反粒子反頂夸克(t)
理論小林誠，益川敏英 (1973)
發現CDF，DØ collaborations (1995)
質量171400 ± 2100 MeV/c2
衰變粒子底夸克 (99.8%)
奇夸克 (0.17%)
下夸克 (0.007%)
電荷+2⁄3 e
色荷有
自旋1⁄2
頂數1
弱同位旋1⁄2 (left handed)
0 (right handed)
弱超荷1⁄3 (left handed)
4⁄3 (right handed)

頂夸克（top quark，中國大陸譯t夸克，台灣譯頂夸克，中國大陸又稱「頂夸克」[註 1]）是目前發現最重的夸克，其質量為173.1±1.3GeV/c2，質子的質量也不過938MeV[2]。和其他夸克一樣，頂夸克屬於費米子，具有1⁄2的自旋，帶有+2⁄3電荷。[3] 頂夸克的反粒子被稱為反頂夸克，兩者質量相同。頂夸克通過強作用力同其他基本粒子相作用，通過弱力衰變為W玻色子和底夸克，有時也會衰變為奇夸克。頂夸克可以衰變為下夸克，但這種情況非常罕見。根據標準模型的預測頂夸克的壽命僅為5×10-25s[4]不過頂夸克極短的壽命使得其來不及在強相互作用力的影響下形成強子，這給科學家們提供了一個觀測獨立夸克的機會。頂夸克的存在在某種程度上也為日後發現希格斯子提供了理論上的可能性。

歷史

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1973年， 小林誠和益川敏英根據K介子衰變中CP破壞的現象，預言有第三類夸克存在。[5]新的假想粒子被定名為頂和底。由於粒子加速器能量不足，因此頂夸克直到1995年才被費米實驗室發現。[6]為此，兩位日本物理學家獲得了2008年的諾貝爾物理學獎。為了同第一代的上夸克及下夸克相照應，1975年哈伊姆·哈拉里（Haim Harari）將這兩個理論中的粒子命名為頂、底夸克。[7]在做出頂夸克存在的預言之後，粲夸克、底夸克都相繼被實驗發現。人們知道頂夸克要重的多，因此需要更多的能量才能將其分離出來，只是沒想到這一等就是18年。德國電子加速器以及史丹福線性加速器都未能使頂夸克現身，歐洲原子能中心的超級質子同步加速器可以將質子加速至400GeV，但這仍然不足以產生出頂夸克。它們最初估計頂夸克的質量在41 GeV/c2以上，然而即使將加速器的能量開至極限還是不足以發現頂夸克，因此這一預估值被修改至77 GeV/c2以上。[8]

既然超級質子同步加速器已經無能為力，下面就輪到費米實驗室的兆電子伏特加速器出場了，在LHC誕生以前它是唯一有能力製造出頂夸克的粒子加速器。1992年10月，CDF和DØ兩個研究團隊首次發現了頂夸克存在的蛛絲馬跡，在接下來的幾年中又有了更多關於頂夸克存在的證據。費米碰撞探測器（CDF）小組在1994年4月22日發表了一份報告，指出頂夸克的質量應該在175 GeV/c2左右，這一數據和1992年時的探測相差無幾。一年之後，在探測出更多的頂夸克之後，這兩個團隊的報告認為頂夸克的質量為176±18 GeV/c2，其置信度為99.9998%。[8]

性質

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根據CDF和DØ的估算，頂夸克的產生截面約為6.6Pb[9]，由頂夸克衰變而來的W玻色子具有同其一致的偏振，因此這些玻色子可用於探測頂夸克。在標準模型的預測中，頂夸克所帶的電荷為正2⁄3 e，DØ的數據研究表明其吻合的機率為90%。[10]

產生

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頂夸克巨大的質量註定了只有很大的能量才能使其產生，在自然條件下宇宙高能射線和大氣層中的空氣分子相碰撞時有可能會產生頂夸克，否則就得藉助於人造的粒子加速器的力量了。截至2010年，只有兆電子伏特加速器及LHC能產生如此高的能量。產生頂夸克的途徑有好幾種，最常見的是利用強作用力產生一對正負頂夸克對。1995年中兆電子伏特加速器所報道的案例大部分都是在碰撞中先誕生是高能的膠子，然後再衰變成一對正負頂夸克。[11]除此以外亦可通過光子及Z玻色子的衰變生成頂夸克，只不過其機率少到幾乎可以忽略不計。而另一種途徑則可通過弱作用力生成單獨的頂夸克，在這種途徑中又有兩種不同的方式，其一是以W玻色子為中介生成一個正頂夸克和反底夸克，其二是底夸克同上夸克或下夸克交換了一個w玻色子後轉變成頂夸克。2006年中DØ首次探測出了單獨存在的頂夸克。[12]測量出的數據同卡比博-小林-益川矩陣中|Vtb|2之間的比率與預測值大致相當。

衰變

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頂夸克衰變為底夸克的分支比約為0.99，在標準模型的預測下同|Vtb|2相當，這也從側面驗證了卡比博-小林-益川矩陣。[13]標準模型也允許其他衰變的存在，例如發射出一個膠子或是z玻色子之後，頂夸克可以衰變為自旋為+1/2的上夸克或是粲夸克。雖然標準模型預測在95%的置信度上發射膠子衰變的機率為千分之六，發射z玻色子的機率為4%，然而目前尚未發現能夠符合理論預測的證據。[14]

宇宙的穩定性

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繪圖顯示，宇宙是否穩定，還是只是長壽泡沫，這要依希格斯玻色子與頂夸克的質量而定。直至2012年為止，從兆電子伏特加速器與大型強子對撞機實驗數據得到的2σ橢圓，仍舊允許這兩種可能結局。[15]

研究宇宙的本質與未來命運：已經很多年了，描述宇宙的科學模型都會將宇宙的亞穩定性（英語：metastability）納入考量，也就是說，宇宙很可能擁有很長的壽命，但並不是完全穩定，空間某些區域可能在未來某個時刻被摧毀，因此倒塌成為一種更加穩定的真空態。[16]假若能夠更準確地知道希格斯玻色子與頂夸克的質量，假若標準模型能夠正確地描述粒子的物理行為甚至到普朗克尺度的極端能量，則對於宇宙的現有真空態是否穩定，還是只是壽長這問題，可以通過仔細分析得到答案。[17][18]（有時候，這會被誤報為「希格斯玻色子終結了宇宙」。[20]）。質量大約在125 – 127 GeV值域內的希格斯玻色子似乎非常接近分割穩定區域與亞穩定區域的邊界。[15]更明確答案仍需等待更準確地測量頂夸克的極點質量（英語：極點質量）。[15]

假若測量結果建議，宇宙的真空是一種假真空，則這意味着當今宇宙的作用力、粒子、架構可能不再存在，在幾十億年之後，[21][註 2]可能會被另外一種宇宙全盤替代，假若它能夠成核。[註 3]準確測量頂夸克質量可能需要新一代高端精密的正負電子對撞機[15]。

註釋

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  1. ^ 在2019年由中華人民共和國全國科學技術名詞審定委員會公佈的《物理學名詞》中，「頂夸克」為非推薦名[1]。
  2. ^ 泡沫可能會在任意位置、任意時間隨機發生，所產生的效應應該會從源發點以光速傳播於宇宙。[22]
  3. ^ 假若標準模型正確無誤，則當今宇宙所存在的所有基本粒子與基本作用力，之所以能夠擁有其特徵行為與特徵性質，完全是因為到處散佈的基本量子場。它們可以處於狀態有很多種，每一種的穩定性不同，這包括穩定態、不穩定態、亞穩定態（除非攪擾夠大，超過某種閾值，亞穩定態會保持穩定不變）。假設，某種更為穩定的真空態替代了當今的真空態，則當今宇宙的各種粒子與作用力將會發生變化，不同的粒子或作用力會因新的真空態而出現。宇宙的所有物質都會被重新組構。當今宇宙的架構會被新的架構替代，依基本量子場所處的真空態而定。

參考來源

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  1. ^ 物理學名詞審定委員會．物理學名詞 [S/OL]．全國科學技術名詞審定委員會,公佈. 3版．北京：科學出版社, 2019: 374. 科學文庫.
  2. ^ C. Amsler et al. (Particle Data Group). PDGLive Particle Summary. Particle Data Group. 2009 [2009-07-23]. （原始內容存檔於2020-02-13）. 
  3. ^ S. Willenbrock. The Standard Model and the Top Quark. H.B Prosper and B. Danilov (eds.) (編). Techniques and Concepts of High-Energy Physics XII. NATO Science Series 123. Kluwer Academic. 2003: 1–41 [2010-01-15]. ISBN 1402015909. （原始內容存檔於2019-05-03）. 
  4. ^ 。 A. Quadt. Top quark physics at hadron colliders. European Physical Journal C. 2006, 48: 835–1000. doi:10.1140/epjc/s2006-02631-6. 
  5. ^ M. Kobayashi, T. Maskawa. CP-Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction. Progress of Theoretical Physics. 1973, 49: 652. doi:10.1143/PTP.49.652. 
  6. ^ F. Abe et al. (CDF Collaboration). Observation of Top Quark Production in Collisions with the Collider Detector at Fermilab. Physical Review Letters. 1995, 74: 2626–2631. doi:10.1103/PhysRevLett.74.2626. 
  7. ^ D.H. Perkins. Introduction to high energy physics. 劍橋大學出版社. 2000: 8. ISBN 0521621968. 
  8. ^ 8.0 8.1 T.M. Liss, P.L. Tipton. The Discovery of the Top Quark (PDF). 科學美國人. 1997: 54–59 [2010-06-04]. （原始內容存檔 (PDF)於2011-07-18）. 
  9. ^ 鄭志鵬、李衛國. 頂夸克已被确认. 中國科學基金. 1995, 2: 7–8 [2010-06-04]. （原始內容存檔於2016-03-04） （中文）. 
  10. ^ V.M. Abazov et al. ([DØ Collaboration). Experimental discrimination between charge 2e/3 top quark and charge 4e/3 exotic quark production scenarios. Physical Review Letters. 2007, 98: 041801. doi:10.1103/PhysRevLett.98.041801.
    arXiv:hep-ex/0608044
    .     
  11. ^ V.M. Abazov et al. (DØ Collaboration). Observation of Single Top Quark Production. 2009. arXiv:0903.0850v1 可免費查閱 [hep-ex]. 
  12. ^ V.M. Abazov et al. (DØ Collaboration). Evidence for production of single top quarks and first direct measurement of |Vtb|. Physical Review Letters. 2007, 98: 181802. doi:10.1103/PhysRevLett.98.181802.
    arXiv:hep-ex/0612052
    .     
  13. ^ V.M. Abazov et al. (DØ Collaboration). Simultaneous measurement of the ratio B(t → Wb)/B(t → Wq) and the top-quark pair production cross section with the DØ detector at √s = 1.96 TeV. Physical Review Letters. 2008, 100: 192003. doi:10.1103/PhysRevLett.100.192003.
    arXiv:0801.1326
    .     
  14. ^ T. Aaltonen et al. (CDF Collaboration). First Observation of Electroweak Single Top Quark Production. 2009. arXiv:0903.0885v1 可免費查閱 [hep-ex]. 
  15. ^ 15.0 15.1 15.2 15.3 Alekhin, Djouadi and Moch, S.; Djouadi, A.; Moch, S. The top quark and Higgs boson masses and the stability of the electroweak vacuum. Physics Letters B. 2012-08-13, 716: 214 [20 February 2013]. Bibcode:2012PhLB..716..214A. arXiv:1207.0980 可免費查閱. doi:10.1016/j.physletb.2012.08.024. （原始內容存檔於2013-04-30）. 
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  20. ^ For example, Huffington Post/Reuters[19]
  21. ^ Boyle, Alan. Will our universe end in a 'big slurp'? Higgs-like particle suggests it might. NBC News' Cosmic log. 2013-02-19 [21 February 2013]. （原始內容存檔於2013-02-21）. [T]he bad news is that its mass suggests the universe will end in a fast-spreading bubble of doom. The good news? It'll probably be tens of billions of years . The article quotes Fermilab's Joseph Lykken: "[T]he parameters for our universe, including the Higgs [and top quark's masses] suggest that we're just at the edge of stability, in a "metastable" state. Physicists have been contemplating such a possibility for more than 30 years. Back in 1982, physicists Michael Turner and Frank Wilczek wrote in Nature that "without warning, a bubble of true vacuum could nucleate somewhere in the universe and move outwards..."
  22. ^ Peralta, Eyder. If Higgs Boson Calculations Are Right, A Catastrophic 'Bubble' Could End Universe. npr – two way. 2013-02-19 [21 February 2013]. （原始內容存檔於2015-05-04）.  Article cites Fermilab's Joseph Lykken: "The bubble forms through an unlikely quantum fluctuation, at a random time and place,"
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