1995 年4 月：美國費米國家實驗室頂夸克的發現

1995 年4 月：美國費米國家實驗室頂夸克的發現
高瞻計畫特約編譯蕭如珀、臺灣大學物理系楊信男 編譯/國立臺灣大學化學系陳竹亭教授 責任編輯

粒子物理的標準模型認為，所有物質均由含有 $$6$$ 種夸克與 $$6$$ 種輕子的基本粒子所組成，其中最重的為頂夸克（又稱 $$t$$ 夸克）。頂夸克不穩定，只有在人為製造時，例如美國伊利諾州 Batavia 的費米國家實驗室以高能的質子和反質子束來相互碰撞，才偵測得出來。物理學家在 1977 年發現與它同代的底夸克（或稱 $$b$$ 夸克）時，就深信頂夸克一定存在，只是他們沒想到還要等了將近 $$20$$ 年才終於找到它。

當頂夸克和反頂夸克（$$t-bar$$）一起產生時，頂夸克很快地會衰變成各種子粒子，所以要偵測頂夸克最好的方法是去找它衰變成 $$W$$ 波色子和較輕的底夸克過程的訊號。不過，這時碰到一個主要的難題是，因為底夸克和 $$W$$ 波色子都和頂夸克一樣不穩定，會很快地衰變成粒子噴流。這些粒子噴流一樣也可能由其他背景碰撞產生，所以要確認頂夸克就需要從那些眾多相似的背景過程中將它分辨出來。

以接近光速相互碰撞的質子與反質子束

1985 年，當費米實驗室的 Tevatron 對撞機首度運作後，找尋頂夸克的工作就已經開始了。但是在史丹佛直線加速中心(SLAC)，與在德國的同步加速器(DESY) 就沒這麼幸運，他們早期的努力都沒有結果。1980 年代末期最強力的加速器在 CERN，它的能量最高可達 $$315~GeV$$，但卻也無法找到頂夸克。當時的實驗顯示，頂夸克的質量可能不會輕於 $$77~GeV$$，超過了 CERN 的能量極限。

1990 年代，重心移至費米實驗室和它的兩個主要試驗：CDF 和 D0 兩個偵測器的合作團隊。當研究員於 1992 年開始蒐集資料時，頂夸克的質量上限已經提高至 $$91~GeV$$。在後來的 $$10$$ 年間，CDF 和 D0 兩個合作團隊都建造了巨大、複雜的儀器來隔離頂夸克的信號。為了要尋找頂夸克，這兩個合作團隊都在能量高達 $$1800~GeV$$ 的質子與反質子碰撞所產生的碎片中仔細地過濾篩選。

1994 年 4 月，兩組的研究員宣布偵測到了頂夸克的證據，經過一年密集的分析與精細的審查後，最後的結果公諸於世，顯示出 CDF 和 D0 都偵測到了頂夸克的鐵證。在 1995 年 4 月的論文中，兩個研究團隊都說，他們所看到的頂夸克訊號若只以其背景機制來加以說明的話，成功的機會可能小於 $$50$$ 萬分之一。頂夸克的質量非常大，目前的結果是 $$175.6~GeV$$，和含有 $$197$$ 個質子和中子的金原子核質量相當，顯示出它和其他種的夸克有基本上的差別，而它巨大的質量使其衰變成為尋找新粒子的有利場所。

頂夸克的壽命是所有夸克中最短的，不到 $$10^{-24}$$ 秒，而它也是夸克中唯一可以自由衰變的粒子。其他在碰撞中產生的夸克都存活得夠久，足以從真空中引出更多種的夸克，而形成複雜、由多種粒子組成的「噴流」。頂夸克的獨立特質使得費米實驗室的研究團隊在測量它的質量時，比測量其他種的夸克質量都要精確許多。

之後，費米實驗室的 Tevatron 對撞機經過改良，CDF 和 D0 的合作團隊也大幅地改進他們的偵測器，於 1999 年重新開始收集資料。改進後的加速器所產生頂夸克的速率是以前的 $$20$$ 倍，而改良後的偵測器也提升了頂夸克偵測的效率，使得科學家更能詳細地觀察它的特性。這為 2006 年（譯者按：現已延至 2007 年）將在 CERN 開始運轉的大型強子對撞機（簡稱 LHC）奠下基礎。LHC 幾乎每秒可產生一組頂夸克與反頂夸克，也能產生以 $$14~TeV$$ 能量對撞的兩個質子束，是費米實驗室能量的 $$7$$ 倍。

現在物理學家可以利用頂夸克來回答有關物質與統領物理世界的作用力中各種尚無法解答的問題，其中最主要的是希格斯(Higgs)波色子。希格斯子比頂夸克更難理解，是標準模型表中最後一個尚未發現的粒子。頂夸克的確切質量可以幫助理論物理學家限定希格斯子的質量，以提高未來 $$10$$ 年中，在費米實驗室或LHC 對撞機中偵測到希格斯子的可能性。

頂夸克的發現並非「靈光一現」的事情。物理學家 Nick Hadly（馬利蘭大學）在發現它時說：「我們並非瞬間發現頂夸克，而是長時間以來一件一件的探討。無論單一的證據多麼充分，都不足以讓我們宣布頂夸克的發現。直到我們看到非常多有正確特性的例子，幾乎不會做出錯誤判斷的可能時，我們才確定已找到了頂夸克。」

譯者註：1995 年發現頂夸克時，CDF 團隊由美、日、加、意、台等 $$5$$ 個國家的 $$300$$ 多位物理學家所組成。台灣團隊是由李世昌教授所領導的中央研究院物理所高能實驗組，主要的成員有鄧炳坤、王明哲與葉平等研究員，是台灣實驗高能物理界所參加的第一個大型國際性合作實驗計畫。