頂夸克

历史

1973年， 小林诚和益川敏英根据K介子衰变中CP破坏的现象，预言有第三类夸克存在。新的假想粒子被定名为顶和底。由于粒子加速器能量不足，因此顶夸克直到1995年才被费米实验室发现。为此，两位日本物理学家获得了2008年的诺贝尔物理学奖。为了同第一代的上夸克及下夸克相照应，1975年哈伊姆·哈拉里（Haim Harari）将这两个理论中的粒子命名为顶、底夸克。在做出顶夸克存在的预言之后，粲夸克、底夸克都相继被实验发现。人们知道顶夸克要重的多，因此需要更多的能量才能将其分离出来，只是没想到这一等就是18年。德国电子加速器以及斯坦福线性加速器都未能使顶夸克现身，欧洲原子能中心的超级质子同步加速器可以将质子加速至400GeV，但这仍然不足以产生出顶夸克。它们最初估计顶夸克的质量在41 GeV/c²以上，然而即使将加速器的能量开至极限还是不足以发现顶夸克，因此这一预估值被修改至77 GeV/c²以上。
既然超级质子同步加速器已经无能为力，下面就轮到费米实验室的兆电子伏特加速器出场了，在LHC诞生以前它是唯一有能力制造出顶夸克的粒子加速器。1992年10月，CDF和DØ两个研究团队首次发现了顶夸克存在的蛛丝马迹，在接下来的几年中又有了更多关于顶夸克存在的证据。费米碰撞探测器（CDF）小组在1994年4月22日发表了一份报告，指出顶夸克的质量应该在175 GeV/c²左右，这一数据和1992年时的探测相差无几。一年之后，在探测出更多的顶夸克之后，这两个团队的报告认为顶夸克的质量为176±18 GeV/c²，其置信度为99.9998%。

性质

根据CDF和DØ的估算，顶夸克的产生截面约为6.6Pb，由顶夸克衰变而来的W玻色子具有同其一致的偏振，因此这些玻色子可用于探测顶夸克。在标准模型的预测中，顶夸克所带的电荷为正²⁄₃ e，DØ的数据研究表明其吻合的概率为90%。

产生

顶夸克巨大的质量注定了只有很大的能量才能使其产生，在自然条件下宇宙高能射线和大气层中的空气分子相碰撞时有可能会产生顶夸克，否则就得借助于人造的粒子加速器的力量了。截至2010年，只有兆电子伏特加速器及LHC能产生如此高的能量。产生顶夸克的途径有好几种，最常见的是利用强作用力产生一对正负顶夸克对。1995年中兆电子伏特加速器所报道的案例大部分都是在碰撞中先诞生是高能的胶子，然后再衰变成一对正负顶夸克。除此以外亦可通过光子及Z玻色子的衰变生成顶夸克，只不过其概率少到几乎可以忽略不计。而另一种途径则可通过弱作用力生成单独的顶夸克，在这种途径中又有两种不同的方式，其一是以W玻色子为中介生成一个正顶夸克和反底夸克，其二是底夸克同上夸克或下夸克交换了一个w玻色子后转变成顶夸克。2006年中DØ首次探测出了单独存在的顶夸克。测量出的数据同卡比博-小林-益川矩阵中|Vtb|²之间的比率与预测值大致相当。

衰变

顶夸克衰变为底夸克的分支比约为0.99，在标准模型的预测下同|Vtb|²相当，这也从侧面验证了卡比博-小林-益川矩阵。标准模型也允许其他衰变的存在，例如发射出一个胶子或是z玻色子之后，顶夸克可以衰变为自旋为+1/2的上夸克或是粲夸克。虽然标准模型预测在95%的置信度上发射胶子衰变的概率为千分之六，发射z玻色子的概率为4%，然而目前尚未发现能够符合理论预测的证据。

宇宙的稳定性

研究宇宙的本质与未来命运：已经很多年了，描述宇宙的科学模型都会将宇宙的亚稳定性（metastability）纳入考量，也就是说，宇宙很可能拥有很长的寿命，但并不是完全稳定，空间某些区域可能在未来某个时刻被摧毁，因此倒塌成为一种更加稳定的真空态。假若能够更准确地知道希格斯玻色子与顶夸克的质量，假若标准模型能够正确地描述粒子的物理行为甚至到普朗克尺度的极端能量，则对于宇宙的现有真空态是否稳定，还是只是寿长这问题，可以通过仔细分析得到答案。（有时候，这会被误报为“希格斯玻色子终结了宇宙”。）。质量大约在125 – 127 GeV值域内的希格斯玻色子似乎非常接近分割稳定区域与亚稳定区域的边界。更明确答案仍需等待更准确地测量顶夸克的极点质量（pole mass）。
假若测量结果建议，宇宙的真空是一种假真空（false vacuum），则这意味着当今宇宙的作用力、粒子、架构可能不再存在，在几十亿年之后，可能会被另外一种宇宙全盘替代，假若它能够成核。准确测量顶夸克质量可能需要新一代高端精密的正负电子对撞机。