頂夸克（Top quark)，是構(gòu)成自然世界的基石之一，也是“大爆炸”后分布在宇宙中的一種物質(zhì)成分。它是基本粒子之一，屬于費(fèi)米子中的第三代夸克，也是已知最重的粒子。質(zhì)量達(dá)到173GeV，電荷為+2/3，壽命極短，在10-24秒內(nèi)衰變成其他粒子。1994年4月26日發(fā)現(xiàn)于美國費(fèi)米實(shí)驗室。
頂夸克是科學(xué)家最后發(fā)現(xiàn)的一種夸克，被認(rèn)為是了解宇宙本質(zhì)的最重要工具之一。頂夸克只在宇宙大爆炸初期的幾分之一秒內(nèi)以自然狀態(tài)存在過；而頂夸克出現(xiàn)后，會在觀察者還來不及眨眼的瞬間就衰變?yōu)槠渌?/p>
頂夸克質(zhì)量超過質(zhì)子的100倍——其巨大的質(zhì)量注定了只有很大的能量才能使其產(chǎn)生，譬如借助Tevatron及LHC這一等級的人造粒子加速器的力量。歐洲核子研究中心與美國費(fèi)米國家實(shí)驗室2014年3月19日在一個國際物理學(xué)會議上聯(lián)合宣布，科學(xué)家們通過歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）實(shí)驗與美國萬億電子伏特加速器（Tevatron）實(shí)驗，已成功測出目前最為精確的頂夸克質(zhì)量。兩大機(jī)構(gòu)科學(xué)家在匯集并分析了實(shí)驗數(shù)據(jù)后，排除了其中的不確定性，將頂夸克質(zhì)量精確為173.34±0.76GeV/c2（GeV/c2是基本粒子質(zhì)量的一個單位）。
發(fā)現(xiàn)過程
頂夸克的發(fā)現(xiàn)
1964 年，Murray Gell-Mann 和George Zweig 分別獨(dú)立提出了夸克假設(shè)，作為對1950年代和1960年代早期在加速器和宇宙線實(shí)驗中發(fā)現(xiàn)的許多亞原子粒子的解釋。當(dāng)時有超過100個粒子被發(fā)現(xiàn)，其中大多數(shù)參與較強(qiáng)的相互作用并且壽命很短。這些參與強(qiáng)相互作用的粒子，稱為強(qiáng)子。它們并不是基本的，具有有限大小和內(nèi)部結(jié)構(gòu)?？淇思僭O(shè)的目標(biāo)是用3種夸克——上(u)、下(d)和奇異(s)夸克——及其反夸克的不同組合理解所有已知的強(qiáng)子。每個夸克有(1/2)?的內(nèi)稟自旋，并且它們被假設(shè)為是基本的。為了解釋觀測到的強(qiáng)子譜，夸克必須有分?jǐn)?shù)電子電荷。
1965年到1966年，中國的高能物理工作者提出了層子模型，認(rèn)為強(qiáng)子是由更深一個層次的粒子——層子組成。層子模型在解釋強(qiáng)子的物理現(xiàn)象上取得了一定成功，受到國際物理學(xué)界的關(guān)注。到1970年代中期，夸克已經(jīng)被納入粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。但是起初，許多物理學(xué)家只是把夸克當(dāng)作一種挽救粒子分類方便的概念。分?jǐn)?shù)電子電荷看起來是奇怪的，并且實(shí)驗上無法發(fā)現(xiàn)任何單獨(dú)的自由夸克。然而，1970年代的兩個進(jìn)展確立了夸克的真實(shí)性。第一個進(jìn)展是，高能電子與固定質(zhì)子、中子靶的散射實(shí)驗證明了靶強(qiáng)子包含點(diǎn)狀的內(nèi)部組分。第二個進(jìn)展是在1974年，布魯克海文國家實(shí)驗室和SLAC發(fā)現(xiàn)了一個質(zhì)量3.1GeV 的醒目的強(qiáng)子；這個強(qiáng)子是一種新的夸克粲(c)及其反夸克構(gòu)成的束縛態(tài)。
1977年，費(fèi)米實(shí)驗室的科學(xué)家 們發(fā)現(xiàn)了一種新的質(zhì)量約為10 GeV 的強(qiáng)子，它被確認(rèn)為一種新的夸克 底(b)及其反夸克構(gòu)成的束縛態(tài)。 上、下夸克屬于第一代夸克，奇異和粲夸克屬于第二代夸克，底夸克屬于第三代夸克，第三代夸克似乎還缺少了一名成員，其存在性和電荷(2/3倍電子電荷)可以由已有的結(jié) 果推斷出來，物理學(xué)家們將它命名為頂(t)夸克。
根據(jù)已知夸克的質(zhì)量比，1970年代晚期的物理學(xué)家們認(rèn)為頂夸克的質(zhì)量大概有底夸克的 3 倍；所以他們認(rèn)為它會以一個包含頂夸克及其反夸克構(gòu)成的質(zhì)量約30 GeV的新的強(qiáng)子形式出現(xiàn)。建在德國、美國和日本的正負(fù)電子對撞機(jī)爭相捕捉這個戰(zhàn)利品，可是他們沒有發(fā)現(xiàn)任何頂夸克的跡象。粒子物理的進(jìn)展與建造更強(qiáng)大的加速器相關(guān)。CERN 實(shí)驗發(fā)現(xiàn)了傳導(dǎo)弱作用的W和Z玻色子，也展示了夸克存在的新形態(tài)：噴注結(jié)構(gòu)?？淇巳匀粫用撝苯拥奶綔y，盡管它們在高能對撞實(shí)驗中被劇烈地散射。脫離對撞區(qū)域的夸克會迅速被強(qiáng)子化，成為一簇大致沿著原始夸克運(yùn)動方向的強(qiáng)子，并進(jìn)入探測器，即成為噴注。隨著CERN對撞機(jī)和1988年費(fèi)米實(shí)驗室更強(qiáng)大的對撞機(jī)——單個粒子能量為 900 GeV 的質(zhì)子—反質(zhì)子對撞機(jī)，Tevatron——的到來，借助噴注來尋找頂夸克成為新的途徑。對于現(xiàn)在已知的頂夸克質(zhì)量，理論家們認(rèn)為，在加速器上產(chǎn)生的頂夸克與反頂夸克來不及形成束縛態(tài)，就衰變掉了。而如果頂夸克比W玻色子輕，那么W玻色子到頂夸克和底夸克的衰變道會成為探測頂夸克最有力的模式，但是實(shí)驗排除了這種假設(shè)。到1990年CDF組估計頂夸克至少有91 GeV的質(zhì)量。質(zhì)量超過 100 GeV 的頂夸克將主要成對產(chǎn)生，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，如此重的頂夸克幾乎完全衰變到W玻色子和一個底夸克。產(chǎn)生的每個底夸克會強(qiáng)子化為一個噴注，而W玻色子會衰變到輕子和與之相伴的中微子，或者衰變到一對夸克并成為噴注。
Tevatron 的運(yùn)行從 1992 年持續(xù)到1996年。在此期間，CDF組與D0組進(jìn)行了尋找頂夸克的競爭。1994年，D0組估計了頂夸克的質(zhì)量至少有 131 GeV，隨后 CDF 組確認(rèn)了第一個產(chǎn)生頂夸克的證據(jù)。但是直到1994 年夏天，Tevatron 的亮度仍然糟糕(不高)。費(fèi)米實(shí)驗室的加速器物理學(xué)家付出大量的努力去理解并調(diào)節(jié)對撞過程的每個部分。在1994年短暫的中期休整期間，他們發(fā)現(xiàn)了Tevatron上的一塊磁體不小心被轉(zhuǎn)動了。一旦這個問題被解決，束流亮度就可以加倍了。利用這臺表現(xiàn)更好的加速器，到1995年初物理學(xué)家抽取了額外加倍的事例。在很大程度上，CDF與D0組在發(fā)現(xiàn)頂夸克方面的成功也是費(fèi)米實(shí)驗室加速器成員的功勞。他們對Tevatron技術(shù)的改進(jìn)使得到 1995年初積累的事例幾乎達(dá)到之前的3倍——并且這個進(jìn)步對CDF和D0組是公平的。CDF和D0組的頂夸克發(fā)現(xiàn)文章在 1995年 2 月 24 日提交到 Phys.Rev. Lett.，并且在這一年的 4 月 3 日 同 期 發(fā) 表 。CDF 給出的頂夸克質(zhì)量為 176±13 GeV，而 D0 給出的結(jié)果是199±30 GeV。
單頂夸克的發(fā)現(xiàn)
2009年3月，美國能源部費(fèi)米國家加速器實(shí)驗室的科學(xué)家們表示，他們在粒子對撞實(shí)驗中觀察到了單個頂夸克的產(chǎn)生。單頂夸克的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了粒子物理學(xué)中包括夸克總數(shù)在內(nèi)的一些重要參數(shù)，對費(fèi)米實(shí)驗室Tevatron加速器正在進(jìn)行的尋找上帝粒子“希格斯玻色子”的工作有重要意義。單頂夸克的產(chǎn)生涉及到弱核力，因此很難用實(shí)驗進(jìn)行證明。每200億次質(zhì)子—反質(zhì)子碰撞中只有一次才能產(chǎn)生一個單頂夸克，這些非常罕見的信號還很容易與那些發(fā)生幾率高得多的其他“背景”進(jìn)程相混淆。發(fā)現(xiàn)單頂夸克的難度并不亞于尋找希格斯玻色子，需要從很大的背景中提取一個極小的信號。開創(chuàng)了單頂夸克發(fā)現(xiàn)的先進(jìn)分析技術(shù)被用于搜尋希格斯玻色子。此外，單頂夸克信號和希格斯玻色子信號具有相同的背景，單頂夸克本身就是尋找希格斯玻色子的一個背景。
質(zhì)量的測量
2014年3月，歐洲核子研究中心與美國費(fèi)米國家實(shí)驗室科學(xué)家在匯集并分析了實(shí)驗數(shù)據(jù)后，排除了其中的不確定性，將頂夸克質(zhì)量精確為173.34±0.76GeV/c2（GeV/c2是基本粒子質(zhì)量的一個單位）。
基本特性
頂夸克是基本粒子之一，是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一種被發(fā)現(xiàn)的夸克，也是已知最重的基本粒子，壽命極短。頂夸克的衰變寬度是其基本屬性的關(guān)鍵，它決定了頂夸克的壽命長度。頂夸克只能在大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）等大型對撞機(jī)上產(chǎn)生，因此不太可能用于構(gòu)建量子計算機(jī)。
頂夸克是目前發(fā)現(xiàn)最重的夸克，其實(shí)驗測量質(zhì)量為173.34±0.76GeV/c2，和其他夸克一樣，頂夸克屬于費(fèi)米子，具有1/2的自旋。頂夸克通過強(qiáng)作用力同其他基本粒子相作用，通過弱力衰變?yōu)閃玻色子和底夸克。
頂夸克是已知最重的基本粒子，質(zhì)量約為質(zhì)子的184倍。這就使它變得極其不穩(wěn)定，它的平均壽命只有~5×10?2?秒，通常在來不及與其他夸克結(jié)合之前就會衰變成其他更加穩(wěn)定的粒子。在頂夸克衰變成其他粒子時，它也會將自旋和其他量子特征傳遞給衰變的粒子。
在標(biāo)準(zhǔn)模型里，頂夸克是質(zhì)量最大的基本粒子，它的自旋是1/2，電荷是2/3。由于它比W玻色子還重，所以頂夸克是唯一可以衰變到W玻色子的夸克。頂夸克的質(zhì)量是標(biāo)準(zhǔn)模型里的基本參數(shù)。它既與電弱精細(xì)測量有關(guān)，也約束了希格斯玻色子的質(zhì)量。電弱真空位于穩(wěn)定與亞穩(wěn)定區(qū)域間邊界的現(xiàn)象也依賴于希格斯和頂夸克質(zhì)量。在關(guān)于宇宙壽命的預(yù)言中，不確定度也與頂夸克質(zhì)量有關(guān)。
產(chǎn)生方法
大爆炸后的最早期階段形成大量頂夸克，但它們的壽命非常短暫，在大約1萬億分之一秒內(nèi)完全消失。如今，唯一能產(chǎn)生和觀測頂夸克的環(huán)境就是在大型粒子加速器中。在粒子物理學(xué)中，宣布發(fā)現(xiàn)頂夸克的黃金標(biāo)準(zhǔn)是5西格瑪以上，這意味著目前的觀測結(jié)果是由隨機(jī)波動引起的，發(fā)生概率僅為350萬分之一。2015-2018年，物理學(xué)家在ATLAS和CMS儀器收集的數(shù)據(jù)中尋找四胞胎頂夸克，ATLAS實(shí)驗小組宣稱，他們已經(jīng)看到4.3西格瑪?shù)燃壍?個頂夸克形成。同時，《歐洲物理雜志C》發(fā)表論文稱，CMS儀器研究人員發(fā)現(xiàn)的四胞胎頂夸克僅為2.6西格瑪，在進(jìn)行實(shí)驗之前，ATLAS和CMS儀器預(yù)測四胞胎頂夸克的置信度在2.6西格瑪。在強(qiáng)子對撞機(jī)上，頂夸克不僅可以通過強(qiáng)相互作用成對產(chǎn)生，也可以通過弱相互作用單個產(chǎn)生。
重大事件
質(zhì)子對撞產(chǎn)生四個頂夸克的過程
四頂夸克產(chǎn)生過程非常罕見，大約每7萬對頂夸克對才能產(chǎn)生1個四頂夸克信號。頂夸克衰變時會產(chǎn)生一個W波色子和一個底夸克噴注，而W波色子又會衰變?yōu)橐粚p子和中微子，或者一對噴注。ATLAS研究團(tuán)隊對于大型強(qiáng)子對撞機(jī)在13TeV的能量下共計140fb-1的質(zhì)子對撞數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，特別是針對含有兩個或以上的輕子（其中至少有兩個輕子的電荷相同）的末態(tài)。在2020年，ATLAS國際合作組已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了四頂夸克過程的存在跡象。研究團(tuán)隊采用了圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（GNN）等多變量分析方法，并使用更為優(yōu)化的輕子重建算法。最終的測量結(jié)果：四頂夸克產(chǎn)生過程的反應(yīng)截面為22.5+6.6–5.5?fb，統(tǒng)計顯著性為6.1倍標(biāo)準(zhǔn)差。該結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言值基本一致，這意味著人們在實(shí)驗中首次觀測到了四頂夸克產(chǎn)生態(tài)。
頂夸克間存在量子糾纏
2024年6月，歐洲核子研究中心（CERN）緊湊繆子線圈（CMS）實(shí)驗合作組織報告稱，他們首次確認(rèn)了已知最重的基本粒子頂夸克之間的量子糾纏，為探索世界的量子本質(zhì)提供了新視角。美國羅切斯特大學(xué)物理學(xué)教授瑞金娜·德米娜領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊首次發(fā)現(xiàn)，不穩(wěn)定的頂夸克及其反物質(zhì)反頂夸克之間的自旋糾纏，在長距離和高速運(yùn)動狀態(tài)下持續(xù)存在。
發(fā)現(xiàn)意義
頂夸克的質(zhì)量是質(zhì)子的184倍，幾乎和金原子一樣重。精確測量其質(zhì)量可以為科學(xué)家提供關(guān)鍵信息。作為已知的最重基本粒子，其特性對于驗證標(biāo)準(zhǔn)模型和探尋新物理現(xiàn)象具有舉足輕重的作用。頂夸克極重質(zhì)量可能為質(zhì)量的起源提供重要的線索。精確了解頂夸克的質(zhì)量對于科學(xué)家們在最小尺度上理解宇宙至關(guān)重要。如果頂夸克的質(zhì)量處于此前所測量的精度，那么宇宙非常接近亞穩(wěn)狀態(tài)；而如果頂夸克的質(zhì)量稍有不同，從長遠(yuǎn)來看，宇宙將不太穩(wěn)定，最終可能在類似于大爆炸的劇烈事件中消失。
參考資料 >
美國探測到獨(dú)立產(chǎn)生的頂夸克.中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部.2025-04-28
科學(xué)家測出迄今最精確的頂夸克質(zhì)量.科技日報.2025-04-28
美國費(fèi)米實(shí)驗室發(fā)現(xiàn)罕見的單頂夸克.中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部.2025-04-28
頂夸克間存在量子糾纏首獲證實(shí)，為探索世界量子本質(zhì)開辟新途徑.中國科普網(wǎng).2025-04-29
李釗科研團(tuán)隊得到頂夸克衰變和底夸克b→u半輕衰變的世界最精確解析結(jié)果.中國科學(xué)院高能物理研究所.2025-04-28
首次觀測到夸克糾纏！如何觀察高能環(huán)境中的量子糾纏？.中國科技新聞網(wǎng).2025-04-28
大型強(qiáng)子對撞機(jī)形成罕見的四胞胎“頂夸克”.新浪科技.2025-04-29
解讀單頂夸克產(chǎn)生過程的雙圈量子修正 | Chin. Phys. C 封面文章解讀.新浪微博.2025-04-29
ATLAS實(shí)驗發(fā)布研究成果:首次發(fā)現(xiàn)質(zhì)子對撞產(chǎn)生四個頂夸克的超重末態(tài)產(chǎn)生過程.上海交通大學(xué)新聞學(xué)術(shù)網(wǎng).2025-05-06
頂夸克間存在量子糾纏首獲證實(shí) 為探索世界量子本質(zhì)開辟新途徑.國際科技創(chuàng)新中心.2025-05-06
迄今最精確頂夸克質(zhì)量值測得有助改進(jìn)粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型計算.云南網(wǎng).2025-04-29
頂夸克發(fā)現(xiàn)二十年.物理.2025-04-29
頂夸克迄今最精確質(zhì)量測得，有助科學(xué)家在最小尺度上理解宇宙.人民日報數(shù)字傳播.2025-04-29