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“夸克家族”的新发现

2016-07-14 16:52:48

最近有科学报道称,粒子物理学家已经测定出目前为止最准确的顶夸克质量,这一结果对未来基础物理学的发展影响重大。但是,很多人并不熟悉这个令人捉摸不定的“小朋友”——顶夸克,那么我们就从“夸克家族”说起,一起了解一下这个“世界最小家族”的秘密。

夸克的分类与命名

在原子构成的世界里,万物都是由原子组成的。在学习中学物理的时候,老师告诉我们原子是由原子核和绕核高速运动的电子组成的,而原子核是由带电的质子和不带电的中子组成的。质子和中子还可以细分吗?当代粒子物理学家认为“细分,是可以的”。原子核的细分粒子统称为强子,强子则是由夸克组成的。在目前的科学水平下,我们可以说夸克就是构成物质的最基本单元。但与电子、中子、质子不同,夸克是不能单独分离出来的,这种现象被称为“夸克禁闭”。

“夸克家族”的成员很特别,它们是按照不同的 “味道”进行分类的。为何会有这种奇特的分类方法呢?这还要从20世纪70年代一个发生在冰淇淋店的故事谈起。

1971年的一天,美国物理学家、“夸克之父”默里·盖尔曼和德国物理学家哈罗德·弗里奇在美国加州一家名叫巴斯肯·罗宾斯的冰淇淋店闲谈。他们发现冰淇淋口味多种多样,于是他们决定用“味道”来区分不同的夸克和轻子。质量小的粒子被称为“轻味”,质量大的粒子被称为“重味”。科学家最终将夸克分为6种“味道”,分别为上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、底夸克和顶夸克。但此时的“夸克家族”还是理论模型,还需要实验物理学家来检验它们是否真实存在。

实验发现“夸克家族”

1974年,美国斯坦福大学直线加速器实验室的科学家里克特和布鲁克海文国家实验室加速器实验组,几乎同时发现了粲夸克,其中布鲁克海文国家实验室的实验组领导人是华裔物理学家丁肇中。科学家观测到粲夸克在介子里面与一个反粲夸克束缚在一起。该介子被称为J/ψ粒子。1976年,里克特和丁肇中获得了诺贝尔物理学奖。

在“夸克家族”中,上夸克、下夸克是质量最小的,顶夸克则是目前发现最重的夸克,

它的质量是质子质量的185倍。最先发现顶夸克的是美国费米国家实验室。199432日,费米国家实验室发布报告会,两个实验组CDFDZERO共同证实了对顶夸克的观测。其实,早在199210月,这两个研究组就已经捕捉到顶夸克存在的线索,但为了得出更确实的结论,在接下来的日子里,物理学家们一直在搜集更多的证据。

测定最准确夸克质量

除了上夸克、下夸克,其他4种夸克都只能在高能加速器上才能观测到。这也是各国不惜动用巨资建设高能加速器的原因之一。

2014319,来自费米国家实验室的万亿电子伏加速器和欧洲核子中心大型强子对撞机的实验物理学家,合作发布了目前最准确的顶夸克质量测定结果。来自万亿电子伏加速器的CDFDZERO探测器实验组以及来自大型强子对撞机的ATLASCMS实验组共同公布的结果为173.34+/-0.76GeV/c2GeV表示十亿电子伏,为能量,GeV/ c2则是质量的单位)。该结果将为科学家验证标准模型的数学框架提供基础,为阐明顶夸克、希格斯粒子以及弱电相互作用粒子W波色子之间的量子力学关系奠定基础。

揭秘夸克,理解物质世界

夸克同时拥有电荷、质量、色荷、“味”4种属性,是唯一一种能经受现代物理学中全部4种相互作用的已知粒子,这4种作用为:电磁、引力、强相互作用及弱相互作用。夸克的发现和相关性质的精确测定,对人类解释宇宙的起源也有着重要意义。

顶夸克质量的精确测定使物理学对最基本粒子的描述更加准确,对基本物理理论的描述更加精准。顶夸克属性的精确测定还可能会影响到其他基本粒子的理论,比如希格斯粒子场。另外,欧洲核子中心和美国费米实验室的这次合作,是一种既具有竞争又存在相互验证的全新合作模式,这也预示着将来科学家会通过联合研究获得更多、更精准的实验结果。

 

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“夸克之父”盖尔曼

1929年,美国物理学家默里·盖尔曼出生于纽约市一个犹太家庭。盖尔曼在童年时就对科学有浓厚兴趣,被人称为“神童”,他14岁进入耶鲁大学,后来在麻省理工学院获博士学位,年仅22岁。盖尔曼从科学神童到获得诺贝尔物理学奖,可以用渐入佳境来形容:24岁发现了基本粒子的一个新量子数——奇异数,28岁建立了正确描述弱相互作用的V-A理论,32岁提出了强子分类的八正法(相当于介子和重子的门捷列夫周期表),35岁创立了夸克模型,40岁荣获诺贝尔物理学奖。

这些重大理论中的每一项突破,也曾由别人独立地提出过,但只有盖尔曼一人对所有发现都有原创性的贡献。其中夸克模型(预言中子、质子这类亚原子粒子是由更基本的单元——夸克组成的)是盖尔曼与G.茨威格各自独立提出的。但是,“夸克”这一名称由盖尔曼提出——来自他少年时读过的小说《芬尼根的苏醒》中的诗句。

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