文档介绍：顶夸克的新动向
美国费米实验室D0 控制室。1995 年在这里从事CDF 和D0 实验项目的科学家们正式宣布发现顶夸克
根据标准模型(Standard Model)的描述,夸克粒子一共分为三代(Generation),分别是上(Up)下(Down)夸克、奇(Strange)粲(Charm)夸克和顶(Top)底(Bottom)夸克三代共6种,如果再算上这些夸克各自的反粒子,则总共有12种不同的夸克粒子。相比之下,除了第一代上夸克和下夸克可以构成稳定的物质世界之外,其他的夸克粒子都很不稳定,即使产生出来也会迅速衰变为其他粒子,它们的质量也相对更大。
顶夸克是标准模型中所描述的最重也是最令人迷惑的基本粒子,它的质量几乎相当于一个金原子核,是上夸克和下夸克的几万倍。在1995年,CDF实验项目与D0实验项目的科学家们首次在芝加哥费米实验室的Tevatron粒子对撞机中发现了顶夸克存在的痕迹。目前,人类也只是在费米实验室的Tevatron粒子对撞机和欧洲核子中心(CERN)的大型重子对撞机(LHC)中观察到过顶夸克的存在。对于这种不常出现的超重粒子,物理学家们始终抱有极大的兴趣,因为研究顶夸克的性质以及它的衰变方式,有助于人们进一步理解强相互作用和电弱相互作用的本质。
在高能粒子对撞实验中,在大多数情况下,顶夸克会通过强相互作用产生出来。随着顶夸克的诞生,同时还会伴随着它的反粒子――反顶夸克一同出现。但是在一些非常罕见的情况下,顶夸克也可以通过电弱相互作用产生出来,这正是研究它的性质的好机会。2014年6月13日,《物理评论快报》(PRL)杂志上同时刊登了两篇论文,这两篇论文都报告了通过不同的电弱相互作用产生出单个顶夸克的实验。
利用大型重子对撞机进行粒子对撞研究的CMS合作研究项目的科学家们共同发表论文《质子-质子在8TeV质心系能量下对撞的单顶夸克和W玻色子伴随产生的观测》(Observation of the Associated Production of a Single Top Quark and a W Boson in pp Collisions at s=8 TeV),报告了在W玻色子存在的情况下通过弱电相互作用首次制造出单个顶夸克的实验。同时,利用Tevatron粒子对撞机进行粒子对撞研究的CDF合作项目和D0合作项目的科学家们也发表了论文《Tevatron上单顶夸克s-道产生的观测》(Observation of s-Channel Production of Single Top Quarks at the Tevatron),报告了用另外一种方式产生单个顶夸克的实验。对于Tevatron粒子对撞机,通过2TeV的能量使质子与反质子发生对撞而产生出单个的顶夸克,是极为罕见的情况,在每1010次碰撞中才会发生一次。在顶夸克通过碰撞被产生出来之后,它会迅速衰变为一个底夸克和一个W玻色子,大约有20%的可能性,W玻色子随后会衰变为一个高能电子或是μ粒子和一个中微子。一个高能量的电子或是μ粒子会在探测器中留下鲜明的信号,但是中微子则会逃脱,不会被探测到。
通常说来,通过电弱相互作用,可能有三种方式产生出单个的顶夸克:t通道(Channel)、s通道和tW通道。利用Tevatron粒子对撞机工作的科学家们,通过质子与反质子