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同樣是夸克,頂夸克卻比上夸克重100萬億倍!


博科園有一種叫做夸克的東西,夸克是很小很小的粒子(我們一會兒會講到它有多小)它們是物質的基本組成部分。據我們所知,夸克本身並不是由更小的物質...

- 2019年2月06日09時31分
- 科學文摘 / 博科園

博科園

有一種叫做夸克的東西,夸克是很小很小的粒子(我們一會兒會講到它有多小)它們是物質的基本組成部分。據我們所知,夸克本身並不是由更小的物質構成。隨著我們了解的越來越多,這種情況在未來可能會改變,但就目前而言已經足夠好了。有六種夸克,每一種都有不同但同樣古怪的名字:頂夸克、上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克和底夸克。儘管它的名字很奇怪,六胞胎中最奇怪的實際上是頂夸克。到目前為止,最常見的夸克是上夸克和下夸克。它們以三元組的形式組合在一起,形成質子(兩個上升和一個下降)和中子(兩個下降和一個上升),要形成質子的正電荷和中子的中性電荷,夸克需要帶部分電荷。這聽起來很奇怪,但那只是因為我們認為質子和電子的電荷是基本的。事實證明,我們錯了,上夸克的電荷是+

2 / 3,而下夸克的電荷是- 1 / 3。


更讓人困惑的是夸克出奇的輕,上夸克只有質子質量的0.2%,而下夸克只有質子質量的0.5%。那麼這些微不足道的粒子是如何累積成一個巨大質子的質量呢?答案是把夸克綁在一起的力:強大的核力。夸克之間的這種結合異常強烈——輕而易舉地擊敗了類似帶電夸克的天然電斥力。由於能量和質量是一樣的(感謝愛因斯坦!)質子的質量實際上是由「膠水」決定的,而不是夸克本身。不是所有夸克都那麼大,但是在粒子物理學的世界裡,大是壞消息。巨大就像在一座又高又瘦的山頂。當然,景色很棒,但是任何微風的跡象都會讓你跌落到一個更穩定的位置。穩定意味著小——如果是一個遭受不穩定的大粒子,你很快就會發現自己變成了一群小粒子。這意味著生命對於上夸克和下夸克來說是桃色的

圖片:Shutterstock

他們最小的,所以雖然他們沒有很好的視野,但沒有任何從存在的懸崖上掉下去的危險。第二大誇克,奇特而迷人,在自然界中很少有大量存在。它們是如此巨大,以至於一開始就很難製造出來,一旦它們被某種奇特的過程製造出來,它們很快就會衰變成別的東西,只留下一段記憶。在相當長的一段時間裡,物理學家們認為只有這四種夸克——上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克。但是在20世紀70年代早期,物理學家開始通過研究一些罕見與介子有關的衰變來懷疑這一點。介子是一個奇怪夸克的二重奏,要麼是一個上夸克,要麼是一個下夸克。為了解釋產生這些介子的奇特衰變,理論家們不得不猜測一對新的夸克存在,他們稱之為頂夸克和底夸克,這些新夸克比其他四個重得多(否則我們現在就會看到它們了)。

1977年,當夸克5號(底部)加入已知和測量粒子的俱樂部時,尋找第六個也是最後一個(頂部)的競賽就開始了。但問題是,沒有人知道它有多大,這意味著我們不知道,在我們能拿出一個粒子加速器之前,必須製造出更強大的粒子加速器。每年,世界各地的研究小組都在升級設備,但每年都出現不足,導致當時假設的粒子質量不斷上升。直到1995年2月,費米實驗室研究人員終於宣稱發現了一種頂夸克,其質量幾乎是質子的200倍。這是對的:雖然上夸克和下夸克幾乎不做任何使質子變成質子的工作,但上夸克可以輕鬆地撞擊整個原子。頂夸克比上夸克重100萬億倍。這很好,但是為什麼呢?


為什麼夸克的質量範圍如此之大?這就是希格斯玻色子的來源,希格斯玻色子與一個瀰漫整個時空的場(希格斯場,有點像電磁場)有關,就像一種無形的膠水填充著宇宙。其他基本粒子,如電子、中微子和夸克,必須游過這個場才能從一個地方游到另一個地方。基本粒子不能忽略希格斯場這一事實(通過各種各樣的數學)正是它們具有質量的原因。這倒是個線索,如果希格斯介子與質量的概念有某種聯繫,而頂夸克無疑是最重的夸克,那麼希格斯玻色子和頂夸克一定是最好的朋友。這麼多年來,頂夸克成為我們理解希格斯粒子的一個入口,希望通過對希格斯粒子本身的進一步研究,能對這個神秘的大質量頂夸克有一些了解。


博科園-科學科普|文: Paul Sutter, Astrophysicist/LiveScience

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