頂夸克的研究與展望

20年前（1995年），費米實驗室的Tevatron對撞機在175 GeV附近發現了一個全新的粒子， 被稱為頂夸克（top quark），這是標準模型中最重的基本粒子。在所有標準模型預言的基本粒子中，頂夸克是倒數第二被發現的，是最後被發現的費米子。中科院高能物理研究所對該粒子的發現作出了貢獻。

1、標準模型中的頂夸克

頂夸克是一種什麼樣的粒子呢？頂夸克質量為1733億電子伏特（173.3 GeV），比氫原子核重了大約175倍，幾乎和鎢原子核重量相當，而其直徑卻在鎢原子核的萬分之一以下；頂夸克甚至比第二重的費米子——底夸克——重近40倍。其巨大的質量是粒子物理學中關注的熱點之一；其次，頂夸克的壽命非常短暫，只有5×10-25秒，這麼短的時間即使是最快的光，也前進了只有一個原子核直徑1/7的距離，短得連頂夸克甚至都沒有來得及和其他夸克發生反應，它就衰變成其他粒子了，而其他夸克則有足夠的壽命互相結合成強子。頂夸克是唯一在形成強子之前衰變的夸克，從而使我們在實驗上研究「裸」夸克成為可能。

這些獨特的性質讓頂夸克在粒子物理中佔有非常重要的地位。那麼，為什麼頂夸克的這些性質這麼重要，就要從標準模型說起。標準模型是20世紀60年代起發展起來的描述基本粒子分類和相互作用的理論。其主要觀點是組成物質的最小不可分的粒子（基本粒子）有17種（如果考慮到費米子的正反物質，以及夸克，膠子所攜帶的色荷的差別，則有61種基本粒子），其中包括自旋為1/2的三代費米子，每代費米子有兩個夸克，一個輕子和該輕子對應的中微子；四種傳播作用力的自旋為1的矢量玻色子，即傳播電磁相互作用力的光子，傳播弱相互作用力的W和Z粒子和傳播強相互作用力的膠子；以及賦予基本粒子質量的自旋為0的上帝粒子——希格斯標量玻色子（圖1）。

圖1 標準模型中的基本粒子（圖自百度百科和維基百科http://baike.baidu.com/picture/19449/10960724/0/b90e7bec54e736d162c88b0799504fc2d46269e1?fr=newalbum#aid=0&pic=b90e7bec54e736d162c88b0799504fc2d46269e1 http://en.wikipedia.org/wiki/Matter）

這些基本粒子之間存在遵循量子色動力學（QCD）的強相互作用；遵循量子電動力學（QED）的電磁相互作用；以及遵循V-A弱相互作用理論的弱相互作用。而這些粒子之間由於質量而產生的引力相互作用則由於其強度遠小於上述三種作用力而並沒有被標準模型所考慮。這一套理論幾乎解釋了我們在微觀領域觀測到的所有高能粒子現象，其理論預測與實驗觀測精確地相符合。因此，標準模型是粒子物理中最成功的模型。但是，標準模型無法解釋天文中觀測到的暗物質、暗能量，沒法解釋中微子質量問題，以及模型中存在的自然性問題，又讓我們相信在標準模型之外一定存在新的物理，這就是我們不斷增加實驗測量精度，不斷探索粒子物理各方面前沿的原動力。我們常見的物質都是由標準模型中第一代費米子的上夸克（u）和下夸克（d）所構成（圖2）。

頂夸克是標準模型中第三代費米子夸克中的一種，單個頂夸克所帶電荷為單個電子所帶電荷絕對值的2/3，電荷符號為正，自旋為1/2。頂夸克可以帶有三種不同的色荷，加上其帶有不同色荷，電荷符號為負的反物質態，共有6種質量、自旋、壽命完全相同的形態。

2、頂夸克質量的問題

在標準模型當中，夸克的質量是夸克與希格斯粒子耦合的結果，其質量的大小正比於夸克與希格斯耦合常數。頂夸克的質量如此之大，以至於頂夸克與希格斯粒子的耦合常數接近於一，這就造成了計算希格斯粒子質量的時候，由頂夸克造成的對希格斯質量的修正遠超過測量到的希格斯粒子質量，從而造成所謂的自然性問題。因此，直接測量頂夸克和希格斯粒子的耦合常數的大小，是目前實驗中非常緊迫的課題。位於歐洲核子中心的大型強子對撞機在2015年重新開機取數後，將能夠對頂夸克和希格斯粒子的耦合常數的大小做比較精確的測量，當然，需要耐心地等待大型強子對撞機的運行取數，以及實驗物理學家們的細緻分析。

頂夸克質量還與真空穩定性相關。難道空無一物的真空還會發生變化？這的確聽起來有點天方夜譚。其主要原因是由於希格斯勢能的性質。希格斯機制引入的希格斯勢能的最小值不在零點上，而真空總是趨向於希格斯勢能的最低點，這造成了真空相對於零點的自發破缺，從而使W／Z玻色子獲得質量。取決於頂夸克質量和希格斯粒子質量的大小，頂夸克與希格斯粒子的相互作用對希格斯勢能的修正有可能不改變希格斯勢能的最小值，則真空是穩定的（stability）。也有可能在特高能量下，使希格斯勢能變得比目前的最小值更小，從而使真空有可能通過隧穿效應從目前的希格斯粒子勢能的最小值，躍遷到更小的希格斯勢能的位置，同時釋放出巨大的能量，這時真空就發生了衰變。如果真空發生衰變所需的時間小於宇宙的壽命（～137億年），則真空是不穩定的（instability），反之如果真空衰變的壽命大於宇宙壽命，則真空是亞穩定的（meta-stability）。

按照標準模型已知參數的實驗測量值， 我們可以算出當前所處的真空正處於亞穩定狀態（圖3）即經過遠大於宇宙年齡的時間後，真空自己會發生衰變，從而形成與我們當前觀測到的截然不同的宇宙。這個結論所依賴的參數中，目前帶來最大不確定性的就是頂夸克質量的大小，雖然頂夸克的質量的測量已經綜合了所有實驗測量的結果，但是真空穩定性的研究，對頂夸克質量的測量提出了更高的要求，這可能需要通過和Tevatron，大型強子對撞機完全不同的對撞機—正負電子對撞機—才能夠達到對頂夸克質量測量精度的要求。

圖3 真空穩定性研究發現我們的宇宙處於亞穩定狀態，這是否預示了我們宇宙最終的命運

3、頂夸克的壽命和應用

雖說標準模型的理論給出了夸克的自旋、宇稱、是否參與各種相互作用等性質，但是這些性質需要和實驗的結果精確比較來檢驗。歷史上很多重大發現就是通過實驗找到與理論預言不一致的地方，才導致理論的大發展。而標準模型中的夸克禁閉效應，禁止了我們觀測到單個的夸克。在所有的夸克中，只有頂夸克由於超短的壽命而在和其他夸克形成強子態之前衰變，從而把單個頂夸克的相關信息保留到了其衰變產物中。通過研究頂夸克的衰變產物，能夠了解到單個頂夸克的性質。如自旋，宇稱，以及頂夸克發生衰變時的信息，從而和標準模型的預言進行比較。因此，頂夸克是檢驗標準模型理論的理想場地。

4、頂夸克和新物理的關係

由於頂夸克的質量比其他夸克的質量至少高1到2個數量級，因此，頂夸克在與電弱破壞（質量）相關的新物理方面有著獨特的作用。如很多新物理更加傾向於與頂夸克耦合，從而衰變到頂夸克。這樣，精確研究頂夸克的性質、產生、衰變能有更大可能發現新物理的跡象。而頂夸克由於其巨大的質量，獨特的衰變產物，是高能物理實驗中比較容易鑒別的粒子，因此從實驗的角度來說是比較容易和本底區分開來。這些因素決定了頂夸克在新物理中尋找的重要地位。

5、頂夸克／單頂夸克發現的歷史

最早預言頂夸克存在的是小林誠（MakotoKobayashi）和益川敏英（Toshihide Maskawa）。為了解釋在K介子衰變中觀測到的CP破壞現象，他們提出了CKM矩陣理論，預言了第三代夸克——頂夸克和底夸克——的存在。然而，該理論無法預言第三代夸克的質量，人們並不清楚應該在哪個能量範圍內尋找它們。四年之後，底夸克在費米實驗室中被發現，使人們更加確信頂夸克的存在。很多人樂觀地認為頂夸克很快就會被發現。而事實上，由於其巨大的質量，頂夸克很長一段時間藏匿在粒子物理實驗所能達到的能量範圍之外。在SLAC，DESY和CERN的SPS上的頂夸克尋找均以失敗而告終，直到22年後的1995年，Tevatron終於捕捉到了頂夸克的準確信號。小林誠和益川敏英也因為預言第三代夸克的工作而分享了2008年的諾貝爾物理學獎。但是，這並不是尋找頂夸克故事的終結。

在上述發現頂夸克的過程中，頂夸克都是通過強相互作用力成對產生的，而標準模型同時預言的頂夸克通過弱相互作用力產生的過程，即單個頂夸克伴隨其他粒子產生的過程的尋找一直持續到現在。單頂夸克有三種產生模式，分別為t-模式，s-模式和tW伴隨產生的模式。這三種模式都可以驗證頂夸克是否參與弱相互作用，並直接測量CKM矩陣理論中的矩陣元|Vtb|，從而進一步驗證這一獲得諾貝爾獎的理論工作。單頂夸克任何一種模式的產生與標準模型預言的顯著差別將預示新物理的存在。顯然，尋找通過弱作用力產生的單頂夸克的過程也並不容易，弱相互作用的強度比強相互作用的強度小了6個數量級左右，通過弱相互作用產生的頂夸克相對於強相互作用產生的頂夸克來說是稀少的。

直到2009年，單個頂夸克產生的t－模式才在Tevatron上被發現。但是發現其他兩種模式的道路依然曲折。更大的希望寄托在2010年開始取數的大型強子對撞機上。到了2012年，大型強子對撞機上就觀測到了tW模式的產生證據並在2014年得到確認；與此同時，Tevatron也在停止運行2年之後，宣布確認了單頂夸克s-模式的產生。2014年6月，美國物理學會發表了相關的觀點文章，詳細介紹了單頂夸克的發現歷程。至此，頂夸克通過弱相互作用力產生的三種模式全部得到確認。在發現頂夸克和單頂夸克各個模式的過程中，除了最後發現的s－模式是綜合了CDF和D0的結果外，其他各項發現均有2個不同的實驗發布結果，如頂夸克和t－模式分別由Tevatron上的CDF實驗和D0實驗獨立地觀測到；而tW模式則由大型強子對撞機上的ATLAS實驗和CMS實驗分別獨立觀測到。這種在相同對撞機上多個物理目標相同的實驗之間存在極強的競爭關係，使每個實驗上的人都儘力做得最好。同時，由於兩個實驗完全獨立，能夠互相驗證對方的結果，使得其發布的能夠互相印證的物理結果更加可信。

6、頂夸克探測的現狀：實驗和最新進展

到現在為止，世界上僅有2台粒子對撞機產生過頂夸克，一個是發現頂夸克的Tevatron，現在已經停止運行了；一個是發現希格斯玻色子的大型強子對撞機。在大型強子對撞機的建設初期，頂夸克還沒有在實驗上觀測到，而如今的大型強子對撞機，卻是名副其實的頂夸克工廠。僅2010年到2012年3年間，大型強子對撞機上的ATLS和CMS實驗各記錄下了近1000萬的頂夸克事例，遠超Tevatron運行28年所獲得的頂夸克事例總和。在大型強子對撞機上可以對頂夸克進行更加細緻的研究。目前集中在頂夸克的質量測量，利用頂夸克檢驗標準模型，以及與頂夸克相關的新物理尋找方面。

大型強子對撞機上頂夸克質量測量精度已經達到了1 GeV；所有頂夸克的性質測量均與標準模型的預言相符合。雖然所有尋找與頂夸克相關的新物理均未觀測到顯著的新物理信號，但是卻觀測到了頂夸克在強子對撞機上的電荷不對稱性超出標準模型的預期，這一實驗結果最終還沒有確定是否為新物理的信號，但是相關的研究已經大大推動了頂夸克理論的發展。頂夸克探測的未來隨著對頂夸克的深入了解，理論學家們期望能夠對頂夸克的性質做更精確的測量，包括頂夸克的質量，「裸」夸克的性質等，從而精確檢驗標準模型，尋找新物理的蛛絲馬跡。目前正在運行的大型強子對撞機已經獲得了世界上最大的頂夸克樣本，在未來二十年左右的時間內，大型強子對撞機將取得更多的頂夸克數據，從而對頂夸克的性質，對頂夸克各種產生模式做細緻的研究。

然而，無論是首次發現頂夸克的Tevatron，還是現有的頂夸克工廠——大型強子對撞機，在精確測量頂夸克質量方面都受到了強子對撞機本底複雜，理論計算精度有限等因素限制。 因此，要想大幅度地提高對頂夸克性質的測量，必需採用新的實驗方案。未來多個正負電子對撞機的方案均提出了精確測量頂夸克質量的物理目標，如日本的國際直線對撞機（ILC），歐洲的未來環形對撞機（FCC-ee）等。 中國目前正在預研的希格斯工廠（CEPC），如果能夠把加速器環建造到80千米以上，也將能達到頂夸克對產生所需的350 GeV質心能量，從而能夠精確測量頂夸克質量等參數。無論如何，頂夸克性質的探測遠未結束。

作者：張華橋（中科院高能物理研究所）

原刊《現代物理知識》2015年27卷4期51~54頁

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