物理新知–發現頂夸克
文﹕楊網凱 (中文大學物理系講座教授)
本文發表於1995 年

四月下旬,物理學界傳出令人觸目的重大新聞,許多報刊廣泛報導。由三十四間院校和研究所,四百多位科學家組成的研究組宣佈他們在實驗中找到頂夸克存在的初步證據。有關實驗是在芝加哥附近的美國費米國家實驗室進行的。這四百多位科學家大部份來自美國,還有意大利,加拿大和日本等國家。其中一個小組是台北中央研究院的科學家。

根據當代物理學理論:中子,質子這一類所謂基本粒子,是由更基本的單元–六種夸克 (quarks) 組成。它們是上 (up, u)、下 (down, d)、異 (strange, s)、粲 (charm, c)、底 (bottom, b) 和頂 (top, t) 夸克。前五種夸克早在十多年前已經通過實驗發現它們的存在。 因此,近十年來高能粒子物理學家的主攻方向之一就是頂夸克 (t)。

為了找尋頂夸克,科學家讓被加速的高能質子 (p) 和反質子 ( ) 迎頭碰撞。碰撞時能量極高,可達 1800 GeV (1GeV 約為產生一個質子所需的能量)。上述研究組在前年八月到去年五月之間, 共記錄到二十億 ( ) 個碰撞事例。 經過仔細分析,其中極有極少數事例可能與頂夸克的存在有關, 而被認為是由頂夸克產生的最「清晰」的事例僅有兩個;這裡稍作解說。 p (質子) 由 uud 組成; (反質子) 則由 組成。兩者迎頭相撞時可能發生以下作用:



同時大量的 u,d 和 等產生與 t 無關的「垃圾」。 t 和 都極不穩定,並迅速衰變:



是弱作用的媒介, 約在十年前才被發現。它們也極不穩定,並再改衰變:



是電子和它的反粒子(正電子), 子和正 子。 是伴隨 產生的兩類中微子。這些粒子的性質都同電子相近,屬於同一族類。由 (3) 產生的 有極高的能量, 且很可能橫向射出。如果在實驗的碰撞事例中發現一邊有高能的 ,另一邊有高能的 ,兩者都是橫向發射; 而且又有失蹤的能量和動量暗示 逸走,便可確定是 (3) 式預言的結果,印證了 t 的存在。

研究組找到的兩個事例,正好具有上述的特徵。 有沒有可能是亂真的假事件呢? 仔細計算顯示假事件的機會在 20 億次碰撞中不會超過 0.3 次。因此,這兩個最清晰說明頂夸克存在的事例, 是不能無視的證據。

用兩個事例說明有頂夸克存在,說服力仍嫌不足。因此,研究組下結論時非常小心, 他們取得了頂夸克存在的初步證據,卻未敢妄下斷言,聲稱「發現」了頂夸克。看來, 要獲得更多的確切證據,恐怕還得再多幾年的努力。 最好還有其他研究組獨立實驗和分析的支持。