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    同样是夸克,顶夸克却比上夸克重100万亿倍!

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      同样是夸克,顶夸克却比上夸克重100万亿倍!

      博科园:本文为粒子物理学类

      有一种叫做夸克的东西,夸克是很小很小的粒子(我们一会儿会讲到它有多小)它们是物质的基本组成部分。据我们所知,夸克本身并不是由更小的物质构成。随着我们了解的越来越多,这种情况在未来可能会改变,但就目前而言已经足够好了。有六种夸克,每一种都有不同但同样古怪的名字:顶夸克、上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克和底夸克。尽管它的名字很奇怪,六胞胎中最奇怪的实际上是顶夸克。到目前为止,最常见的夸克是上夸克和下夸克。它们以三元组的形式组合在一起,形成质子(两个上升和一个下降)和中子(两个下降和一个上升),要形成质子的正电荷和中子的中性电荷,夸克需要带部分电荷。这听起来很奇怪,但那只是因为我们认为质子和电子的电荷是基本的。事实证明,我们错了,上夸克的电荷是+ 2 / 3,而下夸克的电荷是- 1 / 3。

      同样是夸克,顶夸克却比上夸克重100万亿倍!

      更让人困惑的是夸克出奇的轻,上夸克只有质子质量的0.2%,而下夸克只有质子质量的0.5%。那么这些微不足道的粒子是如何累积成一个巨大质子的质量呢?答案是把夸克绑在一起的力:强大的核力。夸克之间的这种结合异常强烈——轻而易举地击败了类似带电夸克的天然电斥力。由于能量和质量是一样的(感谢爱因斯坦!)质子的质量实际上是由“胶水”决定的,而不是夸克本身。不是所有夸克都那么大,但是在粒子物理学的世界里,大是坏消息。巨大就像在一座又高又瘦的山顶。当然,景色很棒,但是任何微风的迹象都会让你跌落到一个更稳定的位置。稳定意味着小——如果是一个遭受不稳定的大粒子,你很快就会发现自己变成了一群小粒子。这意味着生命对于上夸克和下夸克来说是桃色的

      同样是夸克,顶夸克却比上夸克重100万亿倍!

      图片:Shutterstock

      他们最小的,所以虽然他们没有很好的视野,但没有任何从存在的悬崖上掉下去的危险。第二大夸克,奇特而迷人,在自然界中很少有大量存在。它们是如此巨大,以至于一开始就很难制造出来,一旦它们被某种奇特的过程制造出来,它们很快就会衰变成别的东西,只留下一段记忆。在相当长的一段时间里,物理学家们认为只有这四种夸克——上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克。但是在20世纪70年代早期,物理学家开始通过研究一些罕见与介子有关的衰变来怀疑这一点。介子是一个奇怪夸克的二重奏,要么是一个上夸克,要么是一个下夸克。为了解释产生这些介子的奇特衰变,理论家们不得不猜测一对新的夸克存在,他们称之为顶夸克和底夸克,这些新夸克比其他四个重得多(否则我们现在就会看到它们了)。

      同样是夸克,顶夸克却比上夸克重100万亿倍!

      1977年,当夸克5号(底部)加入已知和测量粒子的俱乐部时,寻找第六个也是最后一个(顶部)的竞赛就开始了。但问题是,没有人知道它有多大,这意味着我们不知道,在我们能拿出一个粒子加速器之前,必须制造出更强大的粒子加速器。每年,世界各地的研究小组都在升级设备,但每年都出现不足,导致当时假设的粒子质量不断上升。直到1995年2月,费米实验室研究人员终于宣称发现了一种顶夸克,其质量几乎是质子的200倍。这是对的:虽然上夸克和下夸克几乎不做任何使质子变成质子的工作,但上夸克可以轻松地撞击整个原子。顶夸克比上夸克重100万亿倍。这很好,但是为什么呢?

      同样是夸克,顶夸克却比上夸克重100万亿倍!

      为什么夸克的质量范围如此之大?这就是希格斯玻色子的来源,希格斯玻色子与一个弥漫整个时空的场(希格斯场,有点像电磁场)有关,就像一种无形的胶水填充着宇宙。其他基本粒子,如电子、中微子和夸克,必须游过这个场才能从一个地方游到另一个地方。基本粒子不能忽略希格斯场这一事实(通过各种各样的数学)正是它们具有质量的原因。这倒是个线索,如果希格斯介子与质量的概念有某种联系,而顶夸克无疑是最重的夸克,那么希格斯玻色子和顶夸克一定是最好的朋友。这么多年来,顶夸克成为我们理解希格斯粒子的一个入口,希望通过对希格斯粒子本身的进一步研究,能对这个神秘的大质量顶夸克有一些了解。

      同样是夸克,顶夸克却比上夸克重100万亿倍!

      博科园-科学科普|文: Paul Sutter, Astrophysicist/LiveScience

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