顶夸克(物质组成中的基本粒子之一)

顶夸克（Top quark)，是构成自然世界的基石之一，也是“大爆炸”后分布在宇宙中的一种物质成分。它是基本粒子之一，属于费米子中的第三代夸克，也是已知最重的粒子。质量达到173GeV，电荷为+2/3，寿命极短，在10-24秒内衰变成其他粒子。1994年4月26日发现于美国费米实验室。

顶夸克是科学家最后发现的一种夸克，被认为是了解宇宙本质的最重要工具之一。顶夸克只在宇宙大爆炸初期的几分之一秒内以自然状态存在过；而顶夸克出现后，会在观察者还来不及眨眼的瞬间就衰变为其他。

顶夸克质量超过质子的100倍——其巨大的质量注定了只有很大的能量才能使其产生，譬如借助Tevatron及LHC这一等级的人造粒子加速器的力量。欧洲核子研究中心与美国费米国家实验室2014年3月19日在一个国际物理学会议上联合宣布，科学家们通过欧洲大型强子对撞机（LHC）实验与美国万亿电子伏特加速器（Tevatron）实验，已成功测出目前最为精确的顶夸克质量。两大机构科学家在汇集并分析了实验数据后，排除了其中的不确定性，将顶夸克质量精确为173.34±0.76GeV/c2（GeV/c2是基本粒子质量的一个单位）。

发现过程

顶夸克的发现

1964 年，Murray Gell-Mann 和George Zweig 分别独立提出了夸克假设，作为对1950年代和1960年代早期在加速器和宇宙线实验中发现的许多亚原子粒子的解释。当时有超过100个粒子被发现，其中大多数参与较强的相互作用并且寿命很短。这些参与强相互作用的粒子，称为强子。它们并不是基本的，具有有限大小和内部结构。夸克假设的目标是用3种夸克——上(u)、下(d)和奇异(s)夸克——及其反夸克的不同组合理解所有已知的强子。每个夸克有(1/2)ħ的内禀自旋，并且它们被假设为是基本的。为了解释观测到的强子谱，夸克必须有分数电子电荷。

1965年到1966年，中国的高能物理工作者提出了层子模型，认为强子是由更深一个层次的粒子——层子组成。层子模型在解释强子的物理现象上取得了一定成功，受到国际物理学界的关注。到1970年代中期，夸克已经被纳入粒子物理标准模型。但是起初，许多物理学家只是把夸克当作一种挽救粒子分类方便的概念。分数电子电荷看起来是奇怪的，并且实验上无法发现任何单独的自由夸克。然而，1970年代的两个进展确立了夸克的真实性。第一个进展是，高能电子与固定质子、中子靶的散射实验证明了靶强子包含点状的内部组分。第二个进展是在1974年，布鲁克海文国家实验室和SLAC发现了一个质量3.1GeV 的醒目的强子；这个强子是一种新的夸克粲(c)及其反夸克构成的束缚态。

1977年，费米实验室的科学家们发现了一种新的质量约为10 GeV 的强子，它被确认为一种新的夸克底(b)及其反夸克构成的束缚态。上、下夸克属于第一代夸克，奇异和粲夸克属于第二代夸克，底夸克属于第三代夸克，第三代夸克似乎还缺少了一名成员，其存在性和电荷(2/3倍电子电荷)可以由已有的结果推断出来，物理学家们将它命名为顶(t)夸克。

根据已知夸克的质量比，1970年代晚期的物理学家们认为顶夸克的质量大概有底夸克的 3 倍；所以他们认为它会以一个包含顶夸克及其反夸克构成的质量约30 GeV的新的强子形式出现。建在德国、美国和日本的正负电子对撞机争相捕捉这个战利品，可是他们没有发现任何顶夸克的迹象。粒子物理的进展与建造更强大的加速器相关。CERN 实验发现了传导弱作用的W和Z玻色子，也展示了夸克存在的新形态：喷注结构。夸克仍然会逃脱直接的探测，尽管它们在高能对撞实验中被剧烈地散射。脱离对撞区域的夸克会迅速被强子化，成为一簇大致沿着原始夸克运动方向的强子，并进入探测器，即成为喷注。随着CERN对撞机和1988年费米实验室更强大的对撞机——单个粒子能量为 900 GeV 的质子—反质子对撞机，Tevatron——的到来，借助喷注来寻找顶夸克成为新的途径。对于现在已知的顶夸克质量，理论家们认为，在加速器上产生的顶夸克与反顶夸克来不及形成束缚态，就衰变掉了。而如果顶夸克比W玻色子轻，那么W玻色子到顶夸克和底夸克的衰变道会成为探测顶夸克最有力的模式，但是实验排除了这种假设。到1990年CDF组估计顶夸克至少有91 GeV的质量。质量超过 100 GeV 的顶夸克将主要成对产生，根据标准模型，如此重的顶夸克几乎完全衰变到W玻色子和一个底夸克。产生的每个底夸克会强子化为一个喷注，而W玻色子会衰变到轻子和与之相伴的中微子，或者衰变到一对夸克并成为喷注。

Tevatron 的运行从 1992 年持续到1996年。在此期间，CDF组与D0组进行了寻找顶夸克的竞争。1994年，D0组估计了顶夸克的质量至少有 131 GeV，随后 CDF 组确认了第一个产生顶夸克的证据。但是直到1994 年夏天，Tevatron 的亮度仍然糟糕(不高)。费米实验室的加速器物理学家付出大量的努力去理解并调节对撞过程的每个部分。在1994年短暂的中期休整期间，他们发现了Tevatron上的一块磁体不小心被转动了。一旦这个问题被解决，束流亮度就可以加倍了。利用这台表现更好的加速器，到1995年初物理学家抽取了额外加倍的事例。在很大程度上，CDF与D0组在发现顶夸克方面的成功也是费米实验室加速器成员的功劳。他们对Tevatron技术的改进使得到 1995年初积累的事例几乎达到之前的3倍——并且这个进步对CDF和D0组是公平的。CDF和D0组的顶夸克发现文章在 1995年 2 月 24 日提交到 Phys.Rev. Lett.，并且在这一年的 4 月 3 日同期发表。CDF 给出的顶夸克质量为 176±13 GeV，而 D0 给出的结果是199±30 GeV。

单顶夸克的发现

2009年3月，美国能源部费米国家加速器实验室的科学家们表示，他们在粒子对撞实验中观察到了单个顶夸克的产生。单顶夸克的发现证实了粒子物理学中包括夸克总数在内的一些重要参数，对费米实验室Tevatron加速器正在进行的寻找上帝粒子“希格斯玻色子”的工作有重要意义。单顶夸克的产生涉及到弱核力，因此很难用实验进行证明。每200亿次质子—反质子碰撞中只有一次才能产生一个单顶夸克，这些非常罕见的信号还很容易与那些发生几率高得多的其他“背景”进程相混淆。发现单顶夸克的难度并不亚于寻找希格斯玻色子，需要从很大的背景中提取一个极小的信号。开创了单顶夸克发现的先进分析技术被用于搜寻希格斯玻色子。此外，单顶夸克信号和希格斯玻色子信号具有相同的背景，单顶夸克本身就是寻找希格斯玻色子的一个背景。

质量的测量

2014年3月，欧洲核子研究中心与美国费米国家实验室科学家在汇集并分析了实验数据后，排除了其中的不确定性，将顶夸克质量精确为173.34±0.76GeV/c2（GeV/c2是基本粒子质量的一个单位）。

基本特性

顶夸克是基本粒子之一，是粒子物理标准模型中最后一种被发现的夸克，也是已知最重的基本粒子，寿命极短。顶夸克的衰变宽度是其基本属性的关键，它决定了顶夸克的寿命长度。顶夸克只能在大型强子对撞机（LHC）等大型对撞机上产生，因此不太可能用于构建量子计算机。

顶夸克是目前发现最重的夸克，其实验测量质量为173.34±0.76GeV/c2，和其他夸克一样，顶夸克属于费米子，具有1/2的自旋。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。

顶夸克是已知最重的基本粒子，质量约为质子的184倍。这就使它变得极其不稳定，它的平均寿命只有~5×10⁻²⁵秒，通常在来不及与其他夸克结合之前就会衰变成其他更加稳定的粒子。在顶夸克衰变成其他粒子时，它也会将自旋和其他量子特征传递给衰变的粒子。

在标准模型里，顶夸克是质量最大的基本粒子，它的自旋是1/2，电荷是2/3。由于它比W玻色子还重，所以顶夸克是唯一可以衰变到W玻色子的夸克。顶夸克的质量是标准模型里的基本参数。它既与电弱精细测量有关，也约束了希格斯玻色子的质量。电弱真空位于稳定与亚稳定区域间边界的现象也依赖于希格斯和顶夸克质量。在关于宇宙寿命的预言中，不确定度也与顶夸克质量有关。

产生方法

大爆炸后的最早期阶段形成大量顶夸克，但它们的寿命非常短暂，在大约1万亿分之一秒内完全消失。如今，唯一能产生和观测顶夸克的环境就是在大型粒子加速器中。在粒子物理学中，宣布发现顶夸克的黄金标准是5西格玛以上，这意味着目前的观测结果是由随机波动引起的，发生概率仅为350万分之一。2015-2018年，物理学家在ATLAS和CMS仪器收集的数据中寻找四胞胎顶夸克，ATLAS实验小组宣称，他们已经看到4.3西格玛等级的4个顶夸克形成。同时，《欧洲物理杂志C》发表论文称，CMS仪器研究人员发现的四胞胎顶夸克仅为2.6西格玛，在进行实验之前，ATLAS和CMS仪器预测四胞胎顶夸克的置信度在2.6西格玛。在强子对撞机上，顶夸克不仅可以通过强相互作用成对产生，也可以通过弱相互作用单个产生。

重大事件

质子对撞产生四个顶夸克的过程

四顶夸克产生过程非常罕见，大约每7万对顶夸克对才能产生1个四顶夸克信号。顶夸克衰变时会产生一个W波色子和一个底夸克喷注，而W波色子又会衰变为一对轻子和中微子，或者一对喷注。ATLAS研究团队对于大型强子对撞机在13TeV的能量下共计140fb-1的质子对撞数据进行了数据分析，特别是针对含有两个或以上的轻子（其中至少有两个轻子的电荷相同）的末态。在2020年，ATLAS国际合作组已经发现了四顶夸克过程的存在迹象。研究团队采用了图神经网络（GNN）等多变量分析方法，并使用更为优化的轻子重建算法。最终的测量结果：四顶夸克产生过程的反应截面为22.5+6.6–5.5 fb，统计显著性为6.1倍标准差。该结果与标准模型的预言值基本一致，这意味着人们在实验中首次观测到了四顶夸克产生态。

顶夸克间存在量子纠缠

2024年6月，欧洲核子研究中心（CERN）紧凑缪子线圈（CMS）实验合作组织报告称，他们首次确认了已知最重的基本粒子顶夸克之间的量子纠缠，为探索世界的量子本质提供了新视角。美国罗切斯特大学物理学教授瑞金娜·德米娜领导的科研团队首次发现，不稳定的顶夸克及其反物质反顶夸克之间的自旋纠缠，在长距离和高速运动状态下持续存在。

发现意义

顶夸克的质量是质子的184倍，几乎和金原子一样重。精确测量其质量可以为科学家提供关键信息。作为已知的最重基本粒子，其特性对于验证标准模型和探寻新物理现象具有举足轻重的作用。顶夸克极重质量可能为质量的起源提供重要的线索。精确了解顶夸克的质量对于科学家们在最小尺度上理解宇宙至关重要。如果顶夸克的质量处于此前所测量的精度，那么宇宙非常接近亚稳状态；而如果顶夸克的质量稍有不同，从长远来看，宇宙将不太稳定，最终可能在类似于大爆炸的剧烈事件中消失。