夸克人的科技多高

直到60年前，人们还相信质子和中子就是最基本的粒子。所谓的基本粒子，就是不可再分的粒子。但是，在1964年，盖尔提出了著名的夸克模型，击破了人们的认知。我们才知道，原来质子、中子以及大量的介子，都是由6种不同的夸克通过不同的形式结合而形成的。

1995年，在其他夸克被证实后，最后一种夸克也终于在费米实验室被发现，那就是顶夸克。在芝加哥郊外，当时世界上最大的粒子加速器——费米实验室的Tevatron（现已退役）通过自己强大的能力，终于发现了这种粒子，为夸克的发现收了官。



在6种夸克之中，顶夸克是非常特殊的一种。从体积上讲，它比质子还要小得多，但是它的质量却和一颗钨原子（原子序数74，相对原子量约184）差不多。在2019年发表于《物理评论D》杂志上的一项研究中，研究人员指出：顶夸克是已知最重的亚原子粒子。而它如此小的体积，也让它毫无疑问成为了密度最高的粒子之一。

科学家告诉我们，在宇宙大爆炸的一瞬间，顶夸克曾经在我们的宇宙中随处可见。但是，它们存在的时间非常短，大约在一万亿分之一秒之内就全部消失了。物理学标准模型指出：顶夸克的平均寿命大约只有5×10^-25秒，这比强相互作用的时间尺度还短了20倍，意味着它们根本不可能结合成为强子（质子、中子、介子等参与强相互作用的粒子）。这意味着它可以“裸露”存在，比那些因为夸克禁闭现象而束缚住的其他夸克来说更容易被直接观察。



但是，因为同样的原因，在今天的宇宙中，我们已经看不到自然存在的顶夸克了。只能在粒子对撞机中，科学家才有机会一睹它的“芳容”。为了让它“重现人间”，我们必须要借助一件利器——大型强子对撞机（LHC）。

LHC位于日内瓦附近瑞士和法国交界处的地下一个总长度达到了17英里的隧道内，由近1万块强大的磁铁组成，可以提供13万亿电子伏特的能量为质子加速，这个能量是当初费米实验室Tevatron加速器的6.5倍。通过更加强大的能量，我们可以更好地探索这些微观粒子。

1995年的时候，费米实验室Tevatron加速器通过粒子对撞的方式，制造出了顶夸克和反顶夸克对。但是，受限于当时的科技，它需要花几天的时间才能创造这样的粒子对。而欧洲大型强子对撞机的能力已经远远超过了当时的科技，可以通过更强的能量和更高的频率，实现每秒创造出一组粒子对来。



其中，他们的ATLAS实验组甚至希望能够在一次碰撞中，同时产生两对粒子对，也就是两个顶夸克和两个反顶夸克。这样的情况非常罕见，出现的概率极低，比产生一组粒子对需要碰撞的次数多70000倍左右。

ATLAS团队在回顾2015年-2018年的数据中发现，LHC真的曾经有过同时制造出四个顶夸克的成绩。在进行了这样的实验之后，科学家们通常需要判断：它们究竟是被有意制造的还是偶然出现的？



所以，他们需要一个标准来进行衡量，那就是置信度。一般来说，粒子物理学中要求一项发现的置信度需要达到或超过5西格玛（西格玛是置信度的单位，5西格玛被称为黄金标准），这意味着这个发现仅有1/350万的概率是随机出现的。而ATLAS团队发现的顶夸克“四胞胎”，置信度大约为4.3。因此，从这个方面来讲，我们还没办法肯定地说这是一次确切的新发现，只能说是有比较大的概率。

同时，除了这次发现来自于偶然之外，还有一种可能会导致这一次的发现，那就是两组顶夸克的组合原本就比标准模型预测的要更常见。如果是这种情况，那么我们或许要面临相关领域的一次大变革。

顶夸克的巨大质量，对于我们研究质量的本质有着重要的帮助。现代物理学认为，宇宙中有一种基本粒子叫做希格斯玻色子，也就是通常我们说的上帝粒子。正是其他粒子与希格斯玻色子的相互作用，让它们在希格斯场中获得了质量这种属性。



另外，由于其他夸克都在夸克禁闭的作用下无法被单独观察，顶夸克也成为了我们了解这种微观粒子的重要途径。目前来说，夸克是我们知道的最基础的粒子。因此，了解它的性质，对于我们理解量子物理以及宏观世界都有着重要的意义。

2018年底，为了维护和升级，欧洲大型强子对撞机暂时关闭。由于今年疫情的影响，它暂时也不会重新启动。预计在2021年，它将重新开始工作，希望届时会有更重大的发现，让我们了解自己生活的世界究竟是怎样的。