“誇克家族”的新發現
■徐偉
最近有科學報道稱，粒子物理學家已經測定出目前為止最準確的頂誇克質量，這一結果對未來基礎物理學的發展影響重大。但是，很多人並不熟悉這個令人捉摸不定的“小朋友”——頂誇克，那麼我們就從“誇克家族”說起，一起了解一下這個“世界最小家族”的秘密。
誇克的分類與命名
在原子構成的世界裏，萬物都是由原子組成的。在學習中學物理的時候，老師告訴我們原子是由原子核和繞核高速運動的電子組成的，而原子核是由帶電的質子和不帶電的中子組成的。質子和中子還可以細分嗎？當代粒子物理學家認為“細分，是可以的”。原子核的細分粒子統稱為強子，強子則是由誇克組成的。在目前的科學水平下，我們可以說誇克就是構成物質的最基本單元。但與電子、中子、質子不同，誇克是不能單獨分離出來的，這種現象被稱為“誇克禁閉”。
“誇克家族”的成員很特別，它們是按照不同的“味道”進行分類的。為何會有這種奇特的分類方法呢？這還要從20世紀70年代一個發生在冰淇淋店的故事談起。
1971年的一天，美國物理學家、“誇克之父”默裏·蓋爾曼和德國物理學家哈羅德·弗裏奇在美國加州一家名叫巴斯肯·羅賓斯的冰淇淋店閑談。他們發現冰淇淋口味多種多樣，於是他們決定用“味道”來區分不同的誇克和輕子。質量小的粒子被稱為“輕味”，質量大的粒子被稱為“重味”。科學家最終將誇克分為6種“味道”，分別為上誇克、下誇克、粲誇克、奇異誇克、底誇克和頂誇克。但此時的“誇克家族”還是理論模型，還需要實驗物理學家來檢驗它們是否真實存在。
實驗發現“誇克家族”
1974年，美國斯坦福大學直線加速器實驗室的科學家裏克特和布魯克海文國家實驗室加速器實驗組，幾乎同時發現了粲誇克，其中布魯克海文國家實驗室的實驗組領導人是華裔物理學家丁肇中。科學家觀測到粲誇克在介子裏麵與一個反粲誇克束縛在一起。該介子被稱為J／ψ粒子。1976年，裏克特和丁肇中獲得了諾貝爾物理學獎。
在“誇克家族”中，上誇克、下誇克是質量最小的，頂誇克則是目前發現最重的誇克，它的質量是質子質量的185倍。最先發現頂誇克的是美國費米國家實驗室。1994年3月2日，費米國家實驗室發布報告會，兩個實驗組CDF和DZERO共同證實了對頂誇克的觀測。其實，早在1992年10月，這兩個研究組就已經捕捉到頂誇克存在的線索，但為了得出更確實的結論，在接下來的日子裏，物理學家們一直在搜集更多的證據。
上圖：2014年3月19日公布的最精確頂誇克質量（ATLAS、CDF、CMS、DZERO為探測器名稱）