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顶夸克

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顶夸克
组成基本粒子
系费米子
代第三代
基本相互作用强, 弱, 电磁力, 万有引力
符号t
反粒子反顶夸克(t)
理论小林诚，益川敏英 (1973)
发现CDF，DØ collaborations (1995)
质量171400 ± 2100 MeV/c2
衰变粒子底夸克 (99.8%)
奇夸克 (0.17%)
下夸克 (0.007%)
电荷+2⁄3 e
色荷有
自旋1⁄2
顶数1
弱同位旋1⁄2 (left handed)
0 (right handed)
弱超荷1⁄3 (left handed)
4⁄3 (right handed)

t夸克（top quark，台湾译顶夸克，中国大陆又称“顶夸克”[注 1]）是目前发现最重的夸克，其质量为173.1±1.3GeV/c2，质子的质量也不过938MeV[2]。和其他夸克一样，顶夸克属于费米子，具有1⁄2的自旋，带有+2⁄3电荷。[3] 顶夸克的反粒子被称为反顶夸克，两者质量相同。顶夸克通过强作用力同其他基本粒子相作用，通过弱力衰变为W玻色子和底夸克，有时也会衰变为奇夸克。顶夸克可以衰变为下夸克，但这种情况非常罕见。根据标准模型的预测顶夸克的寿命仅为5×10-25s[4]不过顶夸克极短的寿命使得其来不及在强相互作用力的影响下形成强子，这给科学家们提供了一个观测独立夸克的机会。顶夸克的存在在某种程度上也为日后发现希格斯子提供了理论上的可能性。

历史

1973年， 小林诚和益川敏英根据K介子衰变中CP破坏的现象，预言有第三类夸克存在。[5]新的假想粒子被定名为顶和底。由于粒子加速器能量不足，因此顶夸克直到1995年才被费米实验室发现。[6]为此，两位日本物理学家获得了2008年的诺贝尔物理学奖。为了同第一代的上夸克及下夸克相照应，1975年哈伊姆·哈拉里（Haim Harari）将这两个理论中的粒子命名为顶、底夸克。[7]在做出顶夸克存在的预言之后，粲夸克、底夸克都相继被实验发现。人们知道顶夸克要重的多，因此需要更多的能量才能将其分离出来，只是没想到这一等就是18年。德国电子加速器以及斯坦福线性加速器都未能使顶夸克现身，欧洲原子能中心的超级质子同步加速器可以将质子加速至400GeV，但这仍然不足以产生出顶夸克。它们最初估计顶夸克的质量在41 GeV/c2以上，然而即使将加速器的能量开至极限还是不足以发现顶夸克，因此这一预估值被修改至77 GeV/c2以上。[8]

既然超级质子同步加速器已经无能为力，下面就轮到费米实验室的兆电子伏特加速器出场了，在LHC诞生以前它是唯一有能力制造出顶夸克的粒子加速器。1992年10月，CDF和DØ两个研究团队首次发现了顶夸克存在的蛛丝马迹，在接下来的几年中又有了更多关于顶夸克存在的证据。费米碰撞探测器（CDF）小组在1994年4月22日发表了一份报告，指出顶夸克的质量应该在175 GeV/c2左右，这一数据和1992年时的探测相差无几。一年之后，在探测出更多的顶夸克之后，这两个团队的报告认为顶夸克的质量为176±18 GeV/c2，其置信度为99.9998%。[8]

性质

根据CDF和DØ的估算，顶夸克的产生截面约为6.6Pb[9]，由顶夸克衰变而来的W玻色子具有同其一致的偏振，因此这些玻色子可用于探测顶夸克。在标准模型的预测中，顶夸克所带的电荷为正2⁄3 e，DØ的数据研究表明其吻合的概率为90%。[10]

产生

顶夸克巨大的质量注定了只有很大的能量才能使其产生，在自然条件下宇宙高能射线和大气层中的空气分子相碰撞时有可能会产生顶夸克，否则就得借助于人造的粒子加速器的力量了。截至2010年，只有兆电子伏特加速器及LHC能产生如此高的能量。产生顶夸克的途径有好几种，最常见的是利用强作用力产生一对正负顶夸克对。1995年中兆电子伏特加速器所报道的案例大部分都是在碰撞中先诞生是高能的胶子，然后再衰变成一对正负顶夸克。[11]除此以外亦可通过光子及Z玻色子的衰变生成顶夸克，只不过其概率少到几乎可以忽略不计。而另一种途径则可通过弱作用力生成单独的顶夸克，在这种途径中又有两种不同的方式，其一是以W玻色子为中介生成一个正顶夸克和反底夸克，其二是底夸克同上夸克或下夸克交换了一个w玻色子后转变成顶夸克。2006年中DØ首次探测出了单独存在的顶夸克。[12]测量出的数据同卡比博-小林-益川矩阵中|Vtb|2之间的比率与预测值大致相当。

衰变

顶夸克衰变为底夸克的分支比约为0.99，在标准模型的预测下同|Vtb|2相当，这也从侧面验证了卡比博-小林-益川矩阵。[13]标准模型也允许其他衰变的存在，例如发射出一个胶子或是z玻色子之后，顶夸克可以衰变为自旋为+1/2的上夸克或是粲夸克。虽然标准模型预测在95%的置信度上发射胶子衰变的概率为千分之六，发射z玻色子的概率为4%，然而目前尚未发现能够符合理论预测的证据。[14]

宇宙的稳定性

绘图显示，宇宙是否稳定，还是只是长寿泡沫，这要依希格斯玻色子与顶夸克的质量而定。直至2012年为止，从兆电子伏特加速器与大型强子对撞机实验数据得到的2σ椭圆，仍旧允许这两种可能结局。[15]

研究宇宙的本质与未来命运：已经很多年了，描述宇宙的科学模型都会将宇宙的亚稳定性（英语：metastability）纳入考量，也就是说，宇宙很可能拥有很长的寿命，但并不是完全稳定，空间某些区域可能在未来某个时刻被摧毁，因此倒塌成为一种更加稳定的真空态。[16]假若能够更准确地知道希格斯玻色子与顶夸克的质量，假若标准模型能够正确地描述粒子的物理行为甚至到普朗克尺度的极端能量，则对于宇宙的现有真空态是否稳定，还是只是寿长这问题，可以通过仔细分析得到答案。[17][18]（有时候，这会被误报为“希格斯玻色子终结了宇宙”。[20]）。质量大约在125 – 127 GeV值域内的希格斯玻色子似乎非常接近分割稳定区域与亚稳定区域的边界。[15]更明确答案仍需等待更准确地测量顶夸克的极点质量（英语：極點質量）。[15]

假若测量结果建议，宇宙的真空是一种假真空，则这意味著当今宇宙的作用力、粒子、架构可能不再存在，在几十亿年之后，[21][注 2]可能会被另外一种宇宙全盘替代，假若它能够成核。[注 3]准确测量顶夸克质量可能需要新一代高端精密的正负电子对撞机[15]。

注释

  1. ^ 在2019年由中华人民共和国全国科学技术名词审定委员会公布的《物理学名词》中，“顶夸克”为非推荐名[1]。
  2. ^ 泡沫可能会在任意位置、任意时间随机发生，所产生的效应应该会从源发点以光速传播于宇宙。[22]
  3. ^ 假若标准模型正确无误，则当今宇宙所存在的所有基本粒子与基本作用力，之所以能够拥有其特征行为与特征性质，完全是因为到处散布的基本量子场。它们可以处于状态有很多种，每一种的稳定性不同，这包括稳定态、不稳定态、亚稳定态（除非搅扰够大，超过某种阈值，亚稳定态会保持稳定不变）。假设，某种更为稳定的真空态替代了当今的真空态，则当今宇宙的各种粒子与作用力将会发生变化，不同的粒子或作用力会因新的真空态而出现。宇宙的所有物质都会被重新组构。当今宇宙的架构会被新的架构替代，依基本量子场所处的真空态而定。

参考来源

  1. ^ 物理学名词审定委员会．物理学名词 [S/OL]．全国科学技术名词审定委员会,公布. 3版．北京：科学出版社, 2019: 374. 科学文库.
  2. ^ C. Amsler et al. (Particle Data Group). PDGLive Particle Summary. Particle Data Group. 2009 [2009-07-23]. （原始内容存档于2020-02-13）. 
  3. ^ S. Willenbrock. The Standard Model and the Top Quark. H.B Prosper and B. Danilov (eds.) (编). Techniques and Concepts of High-Energy Physics XII. NATO Science Series 123. Kluwer Academic. 2003: 1–41 [2010-01-15]. ISBN 1402015909. （原始内容存档于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. 剑桥大学出版社. 2000: 8. ISBN 0521621968. 
  8. ^ 8.0 8.1 T.M. Liss, P.L. Tipton. The Discovery of the Top Quark (PDF). 科学美国人. 1997: 54–59 [2010-06-04]. （原始内容存档 (PDF)于2011-07-18）. 
  9. ^ 郑志鹏、李卫国. 頂夸克已被确认. 中国科学基金. 1995, 2: 7–8 [2010-06-04]. （原始内容存档于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 可免费查阅 [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 可免费查阅 [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 可免费查阅. doi:10.1016/j.physletb.2012.08.024. （原始内容存档于2013-04-30）. 
  16. ^ M.S. Turner, F. Wilczek. Is our vacuum metastable? (PDF). Nature. 1982, 298 (5875): 633–634 [2015-04-15]. Bibcode:1982Natur.298..633T. doi:10.1038/298633a0. （原始内容存档 (PDF)于2019-12-13）. 
  17. ^ Ellis, Espinosa, Giudice, Hoecker, & Riotto, J.; Espinosa, J.R.; Giudice, G.F.; Hoecker, A.; Riotto, A. The Probable Fate of the Standard Model. Phys. Lett. B. 2009, 679 (4): 369–375. Bibcode:2009PhLB..679..369E. arXiv:0906.0954 可免费查阅. doi:10.1016/j.physletb.2009.07.054. 
  18. ^ Masina, Isabella. Higgs boson and top quark masses as tests of electroweak vacuum stability. Phys. Rev. D. 2013-02-12, 87 (5): 53001. Bibcode:2013PhRvD..87e3001M. arXiv:1209.0393 可免费查阅. doi:10.1103/PhysRevD.87.053001. （原始内容存档于2013-04-14）. 
  19. ^ Irene Klotz (editing by David Adams and Todd Eastham). Universe Has Finite Lifespan, Higgs Boson Calculations Suggest. Huffington Post. Reuters. 2013-02-18 [21 February 2013]. （原始内容存档于2017-09-07）. Earth will likely be long gone before any Higgs boson particles set off an apocalyptic assault on the universe 
  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]. （原始内容存档于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]. （原始内容存档于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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