姗姗来迟的“顶夸克”

黄德揆

去年初，美国著名的费米实验室宣布：有充分的证据表明，他们发现了科学界企盼了许多年的顶夸克。顶夸克是夸克家族中的巨人，其质量竟与金原子差不多，几乎是质子质量的200倍。迄今为止，科学界预言的6种夸克：上夸克、下夸克、奇夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克已全部被发现。这不仅使盖尔曼、兹韦格在30年前提出的夸克理论有了个完满结局，同时又使人们对物质结构、对宇宙早期状态的认识，有了新的飞跃。很明显，夸克，特别是顶夸克的发现，对物理学的未来，将产生深远的影响。

夸克之由来

现在我们知道夸克是物质组成的基本粒子。就人类目前能达到的认识水平看，夸克也是不能再分割的基本粒子了。但是在本世纪60年代以前，物理学界不是这样认为的，那时都把质子、中子等强子当做最小的物质微粒。不过也有人持不同意见，例如1949年，著名物理学家费米与杨振宁认为，核子才是最小的物质物粒。到本世纪50年代末，盖尔曼学习了杨振宁和米尔斯共同提出的“杨一密尔斯规范场”理论，仿照门捷列夫排列元素周期表的做法，将当时所知道的100多种基本粒子排成一个表。结果发现，这些基本粒子都可以归纳为3种带分数电荷的新粒子的组合，盖尔曼称这3种新粒子为上夸克、下夸克和奇夸克。在此同时，另一名美国科学家兹维克也提出了相同理论。

从上面的介绍我们不难看出，盖尔曼在解释未知现象时，虚构了“夸克”粒子，至于它是否存在，也没有多少人相信。再加上“夸克”一词难懂，本是英国作家乔埃斯杜撰的名词，寓意是海鸥的叫声。所以“夸克”更难以使人认真看待。连盖尔曼的老师韦斯科夫也反应冷淡地说：“我们不要讨论这种无聊的事情。”

夸克是真实的粒子

1967年，美国实验物理学家弗里德曼、肯德尔和泰勒在加利福尼亚州斯坦福直线加速器中心进行了一项实验。他们在一台长3公里的直线加速器上，用高速运动的电子去轰击质子和中子，结果发现有些电子沿着很大的角度散射开来，这说明电子在质子和中子内部，碰到了非常小、非常硬的东西，这一发现，与盖尔曼、兹维克预言的“夸克”十分吻合，经过仔细分析，它们被证实是上夸克、下夸克和奇夸克。从此，夸克也堂而皇之地步入基本粒子大家庭了，因为它们也是真实的粒子。

1974年11月，美籍华人科学家丁肇中，美国科学家里克特同时发现了第4种夸克——粲夸克。

1977年，美国费米实验室的莱德曼小组又发现了第5种夸克——底夸克。随着底夸克的发现，理论物理学家预言，自然界一定还存在着第6种夸克——顶夸克。

十几年又过去了，科学家在美国、在欧洲的各个大型加速器中心都没发现顶夸克的行踪。

顶夸克终于被发现了

去年初，美国费米实验室终于宣布：第6种夸克——顶夸克已经发现。因为它是夸克家族中的巨人，所以要发现它，比发现其它5种夸克要困难得多，它对加速器的功率提出了更高的要求，这是它姗姗来迟的原因。根据爱因斯坦的质能关系公式，只有极高速运动的质子与质子对撞时，才有可能使巨人般的顶夸克偶尔露一下“尊容”。

从1992年8月到1993年5月，费米实验室的科学家们，在一台长约6．4公里的巨型加速器的环形隧道中，把自旋方向相反的质子流和反质子流加速到9000亿电子伏特的高能状态后，让它们互相碰撞。据分析。每经过1百万次这样的碰撞，才有可能观察到一次顶夸克，而且顶夸克出现的时间只有1024分之一秒，之后又衰变成其它粒子。毫无疑问，这样短暂的一瞬，不要说肉眼观察，就连眨眼都来不及。不过科学家是通过监测器监测质子流和反质子流的碰撞过程的，而且还要求实验结果能够重复。费米实验室根据统计数据核实，一切无误后，才于去年初正式宣布：发现了顶夸克，其质量约为174兆电子伏特，是质子质量的174倍。在夸克家族中，它是地道的巨人。这项轰动世界的大发现，肯定也是诺贝尔物理奖最有竞争力的候选对象。

从盖尔曼等人提出夸克理论，到最后一种夸克的发现。已经历了30多个春秋。人类虽然以自己的智慧，把夸克——一种海鸥的叫声，变成为实实在在的粒子，确实是功在千秋。不过我们仍有不少需要解决的疑谜：顶夸克的质量为什么那么大?质量的起源到底是什么?夸克为什么只能幽禁在质子、中子等强子里面……

这一系列问题仍需要我们去摸索、去寻找正确的答案。

(责任编辑／丰霖)