認識頂夸克

　　美國費米實驗室已正式宣布，發現物質組成中第6種、也是最后一種夸克（Quark）——頂夸克（TopQuark）。這項物理學上的重大發現，證實粒子物理理論模型，也讓科學家藉以了解頂夸克性質、了解大自然和物質的起源。至于這項發現是不是會像發現質子、中子，對人類生活產生重大影響，仍有待觀察。

　　夸克是比質子、中子更微小的物質組成基本粒子。在60年代以前，物理學界認為質子、中子是最小的物質組成粒子。

　　不過，1963年美國物理學家蓋爾曼、茲維格提出物質組成的新理論，主張當時科學家所認知構成物質的最小粒子中子、質子等，是由更基本的粒子“夸克”所構成，并提出三種夸克，分別命名為上夸克、下夸克、奇夸克，例如，質子是由兩個上夸克與一個下夸克及膠質組成。唯有在粒子物理學家建構的實驗室中，才能感覺到夸克的存在。夸克構成質子、中子，而質子、中子又存在于我們周圍每一種物質小，但是夸克并不會自然、獨立存在于自然界中。

　　當粒子（電子或質子）以極高的速度（接近光速）發生碰撞時，才有可能產生“夸克”這樣的基本粒子。而且由于碰撞產生的夸克能量相當高，它很快就會衰變成其他物質。因此，只有在實驗室中，以粒子加速器將電子或質子加速，并使它們在高速下發生碰撞，同時以極精密的儀器進行測量，才能推論出夸克的存在。經由實驗觀測與理論推算，科學家認為夸克應該有6種。科學儀器的改進，幫助科學家發現其他的夸克。因為，粒子加速器能量不斷提升，測量儀器功能不斷改善，粒子碰撞瞬間的速度、能量愈大，測量儀器愈精密，也愈容易捕捉到瞬間即逝的信號，則產生新粒子的可能性愈高。

　　1963年后，科學家陸續發現第4、5種夸克，其中“粲夸克”是由華裔科學家丁肇中領導的研究群在1974年發現。3年后，李德曼領導的研究群又證實“底夸克”的存在。尋找最后一種夸克，便是19年來粒子物理學家努力的方向，只有證實頂夸克的存在，粒子物理學理論才能獲得驗證。頂夸克的質量超過科學家的推測。頂夸克的質量大約是質子質量的200倍，依照相對論的質量與能量轉換公式，以質子對撞方式產生頂夸克，必須使質子以極高的速度運動，速度愈快、能量愈高，碰撞的瞬間才能產生頂夸克。

　　費米實驗室的加速器周長有6.3km，使用1000個超導磁鐵，把質子與反質子加速到各具有九千億電子伏特的能量后，進行對撞，平均要1兆次的對撞才可能觀察到1次頂夸克。

　　頂夸克出現后，“隨即”消失。實驗顯示，頂夸克出現后，便在1×10-24s（觀察者還來不及眨眼的瞬間）衰變成其他粒子。

　　頂夸克的發現，驗證了粒子物理的理論模型，但是一般人既感覺不到它的存在，也不會因為它的發現生活立刻受到影響，不過，類似的粒子物理學基礎研究有初步成果發表時，實用價值往往并不明顯，但絕對具有極高的學術價值。例如，科學家在原子核內發現質子、中子時，也不能預知后來會利用核分裂、核融合來產生能量。

　　參與這項研究的華裔高能物理學家葉恭平說：“宇宙剛開始瞬間，只是基本粒子存在的狀態，找齊6種夸克等基本粒子，將可以協助科學家回溯宇宙的初始階段。因此，可以知道宇宙由過去到未來的演化歷程。”