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頂夸克

五月 19, 2023

顶夸克（Top quark）是目前发现最重的夸克，其质量为173.1±1.3GeV/c2，质子的质量也不过938MeV[1]。和其他夸克一样，顶夸克属于费米子，具有1⁄2的自旋，带有+2⁄3电荷。[2] 顶夸克的反粒子被称为反顶夸克，两者质量相同。顶夸克通过强作用力同其他基本粒子相作用，通过弱力衰变为W玻色子和底夸克，有时也会衰变为奇夸克。顶夸克可以衰变为下夸克，但这种情况非常罕见。根据标准模型的预测顶夸克的寿命仅为5×10-25s[3]不过顶夸克极短的寿命使得其来不及在强相互作用力的影响下形成强子，这给科学家们提供了一个观测独立夸克的机会。顶夸克的存在在某种程度上也为日后发现希格斯子提供了理论上的可能性。

顶夸克
组成基本粒子
系费米子
代第三代
基本相互作用強, 弱, 電磁力, 万有引力
符号t
反粒子反顶夸克(t)
理论小林诚，益川敏英 (1973)
发现CDF，DØ collaborations (1995)
质量171400 ± 2100 MeV/c2
衰变粒子底夸克 (99.8%)
奇夸克 (0.17%)
下夸克 (0.007%)
電荷+2⁄3 e
色荷有
自旋1⁄2
顶数1
弱同位旋1⁄2 (left handed)
0 (right handed)
弱超荷1⁄3 (left handed)
4⁄3 (right handed)

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。[4]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。[5]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。[6]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。[7]

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，这两个团队的报告認為顶夸克的质量为176±18 GeV/c2，其置信度為99.9998%。[7]

性质

根据CDF和DØ的估算，顶夸克的产生截面约为6.6Pb[8]，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%。[9]

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。[10]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。[11]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。[12]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。[13]

宇宙的穩定性

 
繪圖顯示，宇宙是否穩定，還是只是長壽泡沫，這要依希格斯玻色子與頂夸克的質量而定。直至2012年為止，從兆電子伏特加速器與大型強子對撞機實驗數據得到的2σ橢圓，仍舊允許這兩種可能結局。[14]

研究宇宙的本質與未來命運：已經很多年了，描述宇宙的科學模型都會將宇宙的亞穩定性（英语：metastability）納入考量，也就是說，宇宙很可能擁有很長的壽命，但並不是完全穩定，空間某些區域可能在未來某個時刻被摧毀，因此倒塌成為一種更加穩定的真空態。[15]假若能夠更準確地知道希格斯玻色子與頂夸克的質量，假若標準模型能夠正確地描述粒子的物理行為甚至到普朗克尺度的極端能量，則對於宇宙的現有真空態是否穩定，還是只是壽長這問題，可以通過仔細分析得到答案。[16][17]（有時候，這會被誤報為「希格斯玻色子終結了宇宙」。[19]）。質量大約在125 – 127 GeV值域內的希格斯玻色子似乎非常接近分割穩定區域與亞穩定區域的邊界。[14]更明確答案仍需等待更準確地測量頂夸克的極點質量（英语：極點質量）。[14]

假若測量結果建議，宇宙的真空是一種假真空，則這意味著當今宇宙的作用力、粒子、架構可能不再存在，在幾十億年之後，[20][註 1]可能會被另外一種宇宙全盤替代，假若它能夠成核。[註 2]準確測量頂夸克質量可能需要新一代高端精密的正負電子對撞機[14]。

注释

  1. ^ 泡沫可能會在任意位置、任意時間隨機發生，所產生的效應應該會從源發點以光速傳播於宇宙。[21]
  2. ^ 假若標準模型正確無誤，則當今宇宙所存在的所有基本粒子與基本作用力，之所以能夠擁有其特徵行為與特徵性質，完全是因為到處散佈的基本量子場。它們可以處於狀態有很多種，每一種的穩定性不同，這包括穩定態、不穩定態、亞穩定態（除非攪擾夠大，超過某種閾值，亞穩定態會保持穩定不變）。假設，某種更為穩定的真空態替代了當今的真空態，則當今宇宙的各種粒子與作用力將會發生變化，不同的粒子或作用力會因新的真空態而出現。宇宙的所有物質都會被重新組構。當今宇宙的架構會被新的架構替代，依基本量子場所處的真空態而定。

參考來源

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  18. ^ Irene Klotz (editing by David Adams and Todd Eastham). Universe Has Finite Lifespan, Higgs Boson Calculations Suggest. Huffington Post. Reuters. 2013-02-18 [21 February 2013]. （原始内容于2017-09-07）. Earth will likely be long gone before any Higgs boson particles set off an apocalyptic assault on the universe 
  19. ^ For example, Huffington Post/Reuters[18]
  20. ^ Boyle, Alan. Will our universe end in a 'big slurp'? Higgs-like particle suggests it might. NBC News' Cosmic log. 2013-02-19 [21 February 2013]. （原始内容于2013-02-21）. [T]he bad news is that its mass suggests the universe will end in a fast-spreading bubble of doom. The good news? It'll probably be tens of billions of years . The article quotes Fermilab's Joseph Lykken: "[T]he parameters for our universe, including the Higgs [and top quark's masses] suggest that we're just at the edge of stability, in a "metastable" state. Physicists have been contemplating such a possibility for more than 30 years. Back in 1982, physicists Michael Turner and Frank Wilczek wrote in Nature that "without warning, a bubble of true vacuum could nucleate somewhere in the universe and move outwards..."
  21. ^ Peralta, Eyder. If Higgs Boson Calculations Are Right, A Catastrophic 'Bubble' Could End Universe. npr – two way. 2013-02-19 [21 February 2013]. （原始内容于2015-05-04）.  Article cites Fermilab's Joseph Lykken: "The bubble forms through an unlikely quantum fluctuation, at a random time and place,"

五月 19, 2023
頂夸克, 顶夸克, quark, 是目前发现最重的夸克, 其质量为173, 3gev, 质子的质量也不过938mev, 和其他夸克一样, 顶夸克属于费米子, 具有1, 的自旋, 带有, 电荷, 顶夸克的反粒子被称为反顶夸克, 两者质量相同, 顶夸克通过强作用力同其他基本粒子相作用, 通过弱力衰变为w玻色子和底夸克, 有时也会衰变为奇夸克, 顶夸克可以衰变为下夸克, 但这种情况非常罕见, 根据标准模型的预测顶夸克的寿命仅为5, 不过顶夸克极短的寿命使得其来不及在强相互作用力的影响下形成强子, 这给科学家们提供了一个观. 顶夸克 Top quark 是目前发现最重的夸克 其质量为173 1 1 3GeV c2 质子的质量也不过938MeV 1 和其他夸克一样 顶夸克属于费米子 具有1 2 的自旋 带有 2 3 电荷 2 顶夸克的反粒子被称为反顶夸克 两者质量相同 顶夸克通过强作用力同其他基本粒子相作用 通过弱力衰变为W玻色子和底夸克 有时也会衰变为奇夸克 顶夸克可以衰变为下夸克 但这种情况非常罕见 根据标准模型的预测顶夸克的寿命仅为5 10 25s 3 不过顶夸克极短的寿命使得其来不及在强相互作用力的影响下形成强子 这给科学家们提供了一个观测独立夸克的机会 顶夸克的存在在某种程度上也为日后发现希格斯子提供了理论上的可能性 顶夸克组成基本粒子系费米子代第三代基本相互作用強 弱 電磁力 万有引力符号t反粒子反顶夸克 t 理论小林诚 益川敏英 1973 发现CDF DO collaborations 1995 质量171400 2100 MeV c2衰变粒子底夸克 99 8 奇夸克 0 17 下夸克 0 007 電荷 2 3 e色荷有自旋1 2顶数1弱同位旋1 2 left handed 0 right handed 弱超荷1 3 left handed 4 3 right handed 目录 1 历史 2 性质 3 产生 4 衰变 5 宇宙的穩定性 6 注释 7 參考來源历史 编辑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 4 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 5 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 6 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7001410000000000000 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7001770000000000000 77 GeV c2 以上 7 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DO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7002175000000000000 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 这两个团队的报告認為顶夸克的质量为7002176000000000000 176 18 GeV c2 其置信度為99 9998 7 性质 编辑根据CDF和DO的估算 顶夸克的产生截面约为6 6Pb 8 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 DO的数据研究表明其吻合的概率为90 9 产生 编辑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 10 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DO首次探测出了单独存在的顶夸克 11 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 编辑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 12 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 13 宇宙的穩定性 编辑 繪圖顯示 宇宙是否穩定 還是只是長壽泡沫 這要依希格斯玻色子與頂夸克的質量而定 直至2012年為止 從兆電子伏特加速器與大型強子對撞機實驗數據得到的2s橢圓 仍舊允許這兩種可能結局 14 研究宇宙的本質與未來命運 已經很多年了 描述宇宙的科學模型都會將宇宙的亞穩定性 英语 metastability 納入考量 也就是說 宇宙很可能擁有很長的壽命 但並不是完全穩定 空間某些區域可能在未來某個時刻被摧毀 因此倒塌成為一種更加穩定的真空態 15 假若能夠更準確地知道希格斯玻色子與頂夸克的質量 假若標準模型能夠正確地描述粒子的物理行為甚至到普朗克尺度的極端能量 則對於宇宙的現有真空態是否穩定 還是只是壽長這問題 可以通過仔細分析得到答案 16 17 有時候 這會被誤報為 希格斯玻色子終結了宇宙 19 質量大約在125 127 GeV 值域內的希格斯玻色子似乎非常接近分割穩定區域與亞穩定區域的邊界 14 更明確答案仍需等待更準確地測量頂夸克的極點質量 英语 極點質量 14 假若測量結果建議 宇宙的真空是一種假真空 則這意味著當今宇宙的作用力 粒子 架構可能不再存在 在幾十億年之後 20 註 1 可能會被另外一種宇宙全盤替代 假若它能夠成核 註 2 準確測量頂夸克質量可能需要新一代高端精密的正負電子對撞機 14 注释 编辑 泡沫可能會在任意位置 任意時間隨機發生 所產生的效應應該會從源發點以光速傳播於宇宙 21 假若標準模型正確無誤 則當今宇宙所存在的所有基本粒子與基本作用力 之所以能夠擁有其特徵行為與特徵性質 完全是因為到處散佈的基本量子場 它們可以處於狀態有很多種 每一種的穩定性不同 這包括穩定態 不穩定態 亞穩定態 除非攪擾夠大 超過某種閾值 亞穩定態會保持穩定不變 假設 某種更為穩定的真空態替代了當今的真空態 則當今宇宙的各種粒子與作用力將會發生變化 不同的粒子或作用力會因新的真空態而出現 宇宙的所有物質都會被重新組構 當今宇宙的架構會被新的架構替代 依基本量子場所處的真空態而定 參考來源 编辑 C Amsler et al Particle Data Group PDGLive Particle Summary Particle Data Group 2009 2009 07 23 原始内容存档于2020 02 13 S Willenbrock The Standard Model and the Top Quark H B Prosper and B Danilov eds 编 Techniques and Concepts of High Energy Physics XII NATO Science Series 123 Kluwer Academic 2003 1 41 2010 01 15 ISBN 1402015909 原始内容存档于2019 05 03 A Quadt Top quark physics at hadron colliders European Physical Journal C 2006 48 835 1000 doi 10 1140 epjc s2006 02631 6 M Kobayashi T Maskawa CP Violation in the Renormalizable Theory of Weak Interaction Progress of Theoretical Physics 1973 49 652 doi 10 1143 PTP 49 652 F Abe et al CDF Collaboration Observation of Top Quark Production in Collisions with the Collider Detector at Fermilab Physical Review Letters 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the DO detector at Template Radical 1 96 TeV Physical Review Letters 2008 100 192003 doi 10 1103 PhysRevLett 100 192003 arXiv 0801 1326 T Aaltonen et al CDF Collaboration First Observation of Electroweak Single Top Quark Production 2009 arXiv 0903 0885v1 hep ex 14 0 14 1 14 2 14 3 Alekhin Djouadi and Moch S Djouadi A Moch S The top quark and Higgs boson masses and the stability of the electroweak vacuum Physics Letters B 2012 08 13 716 214 20 February 2013 Bibcode 2012PhLB 716 214A arXiv 1207 0980 doi 10 1016 j physletb 2012 08 024 原始内容存档于2013 04 30 M S Turner F Wilczek Is our vacuum metastable PDF Nature 1982 298 5875 633 634 2015 04 15 Bibcode 1982Natur 298 633T doi 10 1038 298633a0 原始内容存档 PDF 于2019 12 13 Ellis Espinosa Giudice Hoecker amp Riotto J Espinosa J R Giudice G F Hoecker A Riotto A The Probable Fate of the Standard Model Phys Lett B 2009 679 4 369 375 Bibcode 2009PhLB 679 369E arXiv 0906 0954 doi 10 1016 j physletb 2009 07 054 Masina Isabella Higgs boson and top quark 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state Physicists have been contemplating such a possibility for more than 30 years Back in 1982 physicists Michael Turner and Frank Wilczek wrote in Nature that without warning a bubble of true vacuum could nucleate somewhere in the universe and move outwards Peralta Eyder If Higgs Boson Calculations Are Right A Catastrophic Bubble Could End Universe npr two way 2013 02 19 21 February 2013 原始内容存档于2015 05 04 Article cites Fermilab s Joseph Lykken The bubble forms through an unlikely quantum fluctuation at a random time and place 取自 https zh wikipedia org w index php title 頂夸克 amp oldid 75333870, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，

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