互动科普

顶夸克的发现

Tony M. Lise*  Paul. B. Tipton

1995年3月，科学家们参加了一个匆忙召集起来的会议以见证一次具有历史意义的事件，地点是在芝加哥附近的伊利诺斯州巴达维亚市费米国家加速器实验室(Fermi­Lab）在接连举行的研讨会上，该实验室内从事互相竞争的实验的物理学家们宣布发现了一种新的粒子，即顶夸克。对位子物理标准模型中最后一批缺失单元中的一个所进行的数十年搜寻终于结束了。

顶夸克是第6种，很可能也是最后一种夸克。夸克同轻子(包括电子及其相关植子)一起组成了物质的结构单元。最轻的夸克一刊克和"下"夸克一一构成了人们熟悉的质子和中子。质子、中子和电子一起构成了元素周期表上的全部元素。较重的夸克(如：架夸克、奇异夸克、顶夸克和底夸克)及轻子，尽管在大爆炸之后的宇宙早期时刻为数不少，但现在通常只能在加速器中产生了。标准模型描述了这些物质结构单元之间的相五作用。该模型要求每种轻子和夸克均成对出现(通常称为“代”)。

自从1977年发现了顶夸克的伙伴粒子——底夸克之后科学家们就知道顶夸克必定存在。但事实证明顶夸克是极难发现的。虽然顶夸克是一种没有任何可辨认结构的基本粒子但它的质量却高达1750亿电子伏特(175GeV)——相当于一个金原子的质量，比大多数理论家所预测的质量要大得多。质子由两个上夸克和一个下夸克构成，它的质量还不到1GeV。(电子伏特为能量单位，它可通过质能关系式E=mC2同质量联系起来。)

因此，要想产生一个顶夸克，需要把大量能量集中到一个极微小的空间区域中。为实现这一目的，物理学家们把两颗粒子加速并使它们互相碰撞。实验专家希望，在数万亿次碰撞中，至少有若干次碰撞将会使一个顶夸克从碰撞的能量中产生出来。我们所不知道的，是产生一个顶夸克需要多少能量。虽然标准模型预言了顶夸克的许多性质，如它的电荷及自旋(内禀角动量)，但质量却未受到约束。

虽然粒子可以仅凭能量无中生有地产生，但它们的某些特性(如电荷)却不能如此，这些特性是守恒的。顶夸克不能完全单独地产生。产生顶夸克的最容易的方法就是使顶夸克和反顶夸克一同产生。反顶夸克和顶夸克的质量相同，但其它性质的符号则相反．因此守恒量就抵消了。

1985年，当费米实验室的对撞机首次启动时．搜寻顶夸克的工作已经进行了8年之久。在斯坦福直线加速器中心(加利福尼亚州帕洛阿尔托)和DESY(德国汉堡)进行的早期搜寻一无所获那几年中，随着粒子束能量更高的加速器投人运行，搜寻工作转移到了其它加速器上。八十年代初期．在日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室(CERN)，质子束和反质子束在高达315GeV的能量下彼此碰撞时，产生了两种新的粒子，即W粒子和Z粒子。

夸克和轻子构成了物质，而W粒子和z粒子则起着传递力的作用一特别是传递引起某些类型放射性衰变舶弱力W粒子和Z粒子的发现进一步证实了标准模型，该模型准确地预测了这两种粒子的质量．当时人们普遍相信，CERM发现顶夸克已是为期不远的事．

然而找到顶夸克仍然不是一件轻而易举的事。当质子和反质子在高能下相互碰撞时，实际碰撞是发生在它们的内部夸克和胶子之间。每个夸克和胶子仅携带了其宿主质子或反质子舳总能量中不大的一部分，然而碰撞要有足够高的能量才能产生顶夸克。这种高能碰撞是较罕见的。而且，所需的能量越高——也就是说顶夸克的质量越大——碰撞就越罕见．

到1988年，CERN仍未观测到顶夸克。CERN的实验专家得出结论：顶夸克的质量必定大于41GeV．与此同时，费米实验窜的对撞机也配上了我们研制成功不久的CDF(费米实验室对撞机检测器)．从而进人全面运转时期。我们和CERN的一个研究小组经过了一段短时间的激烈竞争．到八十年代末也没有发现顶夸克的影子。不过我们得到了这样一个结论：顶夸克的质量不会小于77GeV。

到这个时候CERN已经是黔驴技穷了。由于它的粒子束能量比较低，粒子的对撞不大可能产生由质量大于77GeV顶夸克。现在竞争已经转移到CDF和费米实验警加速器环：一项新的实验计划之间进12行了。(该项实验计划称为D0，是根据它在加速器环上的位置命名的)

八十年代初，当时任费米实验室主任的Leon M．Lederman认为，CDF需要就地一个竞争对手。选样我们有了来自单位内部的竞争者：DO合作项目从1992年开始取得数据。就同一个物理问题同时进行两项互相取长补短的实验．除了能促进我们的工作外(它肯定起到了这种作用)，还有另一个好处。不管实验人员多么努力．都难免会得到一些虚假结果。设置第二项实验可以为实验结果提供交叉验证。

cDF和DO都是国际合作实验计划．各有四百多名物理学家参加。还有为数众多的工程师、技术人员和后勤服务人员。这两个互相竞争的实验小组是彼此独立的，从来不合作进行分析。每一方都蜗尽全力想胜过对方。但是这一竞争的气氛是友好。我们常常在餐厅的同一张桌上吃饭．既进行严肃的科学论．又夹杂着令人开心的戏谑。

两项实验计划都遵守一条不成文的规定一任何物理分析结果都必须在完成之后才能拿到合作范田以外去讨论。但是有一点很清楚，那就是要想保守顶夸克搜寻过程中的任何秘密都是很棘手的事。难于保密的原因之一是，至少有三位物理学家的配偶在唱对台戏的那个研究小组中工作。为了防止小道消息流传到无法控制的地步，我们和D0小组商定，如果一个实验小组将宣布一项有新闻价值的消息．它应当提前一周通知另一个实验小组。

高能实验的关键组成部分是探铡器，它记录一次对撞产生的碎片．根据最好的理论计算结果．我们预计大约每一百亿次对撞中将有一次能产生顶夸克。其余的对撞虽然对其它许多研究项目有关，但在我们的实验中却构成了．复杂的背景干扰．顶夸克就必须从这一背景中提取出来。

经过十年的时问，CDF和DO两个合作实验小组都建造山丘大而复杂的仪器，各有数十万个电子通道．以便发现顶夸克的“指纹——也就是它存探测器内翻下的痕迹。CDF探测器的侧重点在于能够精确跟踪各个粒子在磁场中的径迹(以测出动量)，而DO探测器则依靠一个极其精确的分段式量热器，它能测量每次对撞放出的能量。

顶夸克和反顶夸克一旦产生，几乎是立即就发生衰尘。夸克和下夸克是稳定的，而顶夸克则与它们不同，它的寿命足有10秒。标准模型预测，如果顶夸克足够，则它几乎总是衰变成一个W粒子和一个底夸克因此．如果产生了一个顶夸克和反顶夸克，那它们就立当生成两个w粒子．一个底夸克和一个反底夸克。

遗憾的是，无论w粒子还是底夸克都无法直接观测。w粒子的寿命与顶夸克差不多。底夸克也是不稳定的。不过其寿命比顶夸克长得多。此外．单个的夸克一一即“裸”夸克一一是永远也看不到的。把夸克结合在一起的强力，使得夸克总是同它夸克和反夸克紧紧粘在一起。有时夸克是成对结合(此时称为介子)，有时是二个三个地结合(此时称为重子，质子和中子就是重子的实例)。当一次碰撞：生厂一个夸克时，该夸克就被其它夸克和反夸克组成的一层云“装饰起来。实际上观测到柏是一束喷流，即与最初产生的夸克的运动方向大致相同的一个定向粒子束。

密集的粒子喷流

w粒子可以衰变为屈于同一代的一个夸克和一个反夸克(例如一个上夸克和一个反下夸克)。在这种情况下，夸克和反夸克表现为粒子探测器的两股喷流。但是w粒子也可能以轻子方式衰变——即衰变为属于同一代的一个带电轻子和一个中性轻子(例如一个电子和一个中微子)。

如果带电轻子是一个电子或子(一种比电子晕的电子型粒子)，州这个粒子可存探测器中直接测到。然而，如果它是一个T子(一种币的电子型粒子)．它就会非常迅速地衰变．以致很难识别出来中微子——它几乎没有质量或完全没有质量——穿过探测器时根本不会被检测到。幸运柏是，由于它带走厂动量，因此它的仅可以间接地推测山来。如果把探测器中观测到的所有粒子的动量加起来后，发现少J，相当一部分动量，就可以认为是一个中微子带走r这部分缺少的动量。

到1992年8月我们开始取得数据时．我们已确定顶夸克的质量下限至少为91GeV。这是一个里程碑w粒子传递同一代夸克之间相互作用——因而电传递预夸克和底夸克之问的柑互作用。如果顶夸克足够轻——其质量低下75GeV——W粒子可能早就产生了顶夸克(通过衰变成一个顶夸克和一个反顶夸克)。然而，现在我们知道，发现顶夸克的唯一途径是产生一个顶夸克-反顶夸克对。

一个顶夸克“事件”的最突出特征之一．是底夸克所。生的粒子喷流。底夸克作为一个介子或重子的一部分以喷流的形式运动，然后在距离其产生地点大约半毫米的地方衰变。1992年．我们把一台专门的仪器置丁粒子束对撞区域的方。这台仪器束非常精确地跟踪喷流中的粒子[参看《科学))1995年第9期"硅微带探测器"一文]。这台硅顶点探测器能够确定一个粒子的路径，误差不超过15做米。我们希望，通过找出一束喷流的大多数径迹并把它们向后外推，我们能够发现底夸克发生衰变的那一点一一从而确认该喷流是一束底喷流。

硅探测器是一项新颖的技术，我们担心数万亿个粒子穿过此探测器会不会对它有什么影响。我们知道，如果加速器出了毛病、使粒子束打到了探测器上，那么整个探测器可能在远小于一秒的时间内被烧焦。我们研究出了一种专门的保护措施;万一加速器出了问题，它可以使粒子束偏离硅探测器以保证去全。就在我们学习如何使用这个新的顶点探测器时。DO合作组也在加速器环的相对一侧上调试他们自己的新探测器。

仅仅3个月后，在1992年10月。我们发现了我们的第一个顶夸克线索。我们发现的这个事件有一个高能μ子和电子、相当多的缺失动量以及至少两束喷流。我们极为详尽地分析了这个事件，最终得出的结论是它很可能是真实的。DO小组也观察到一个类似的事件，该事件最有可能的解释涉及到顶夸克e但是只有一个事件是不够的。我们需要以若干不同的方式观察到顶夸克，以确认我们没有上"背景"事件的当(背景事件就是那些偶然与顶夸克的指纹极为相似的事件)。我们开始比以前更努力地分析数据，然而并没有发现什么特别也得注意的情况，这时我们认识到，搜寻顶夸克是一项长期的工作。

三个小组参与了CDF结果的分析工作。发现我们的第一个待定顶夸克的小组负责搜寻有两个轻子(从W粒子的两次衰变中产生)以及至少两束喷流(可能来自底夸克)的轻子(低能轻子是表明有底夸克衰变的一个证据)。

工作了将近一年后，CDF把顶夸克的质量下限提高到108GeV，稍后，这一下限又被DO进一步提高到131GeV，而我们的搜寻仍在进行。然后，1993年7月，在CDF合作小组的一次全体会议上，三个小组介绍了他们最新分析的结果。这些结果各自分开来看都是模棱两可的，但合在一起则构成了令人信服的顶夸克证据。当时，本文作者之一(Ti­pton)马上就要去参加一次会议并介绍我们的最新结果。在CDF小组合结束后，我们开始意识到，如果Tipton把这些结果在会上端出来，听众就会认为我们己掌握了顶夸克的确凿证据。但是我们的工作还没有准备好经受这样严格的考察。因此。Tipton在会上的报告把重点放在我们所用的方法以及寻找顶夸克所遇到的各种困难上，但一点没有涉及我们的最新结果。很快就有谎言开始四处传播，其中有的非常准确，其它一些则完全是风马牛不相及。1994年春，我们取消了在一次大型会议上预定要作的报告，但也无济于事

在CDF内产生的数以万亿次计的碰撞中，我们已确定了有12个事件可能涉及到一个顶夸克一反顶夸克对的产生。其它物理过程可能模仿这样一种事件的指纹，我们必须估计这些过程出现的可能性。经过几个月的努力后，我们估计出这些背景事件的预期出现次数约为5。7次。上述12个事件完全由背景事件构成的可能性为四百分之一。因此，12个事件中一个顶夸克事件都没有的可能性是非常小的。

我们对这12个事件进行了详尽无遗的分析。一项关键的研究涉及到"重构"顶夸克质量的尝试。把一个(假定存在的)顶夸克一反顶夸克对发射的喷流及轻子的能量加起来，我们就能得出一个顶夸克质量值。如果上述事件真的来自一个顶夸克一反顶夸克对，那么计算出的顶夸克质量应当全部接近某一个值，即真正的顶夸克质量值。相反r背景事件的质量分布施围要宽得多。12个事件的质量的确集中在一个狭小的范围内，意味着顶夸克的质量大约为175GeV。对我们中的许多人来说，这是一个令人信服的证据．说明我们没有被背景事件所愚弄．

我们最初计划写4篇论文．其中3篇论文每篇各谈一类分析．第4篇则总结我们的结果。在合作小组的下一次全体会议——我们私下里把它称为十月大屠杀(October Massacre)一一负责写论文的4个小组向参与合作的其他人介绍可这些论文。结果我们受到了激烈而中肯的批评，因为这些论文是不完整的，没有勾画山一幅连贯一致的图景。于是我们放弃了写4篇论文的设想改山一个小组(包括本文的两位作者在内)着手撰写一篇论文。

这一过程相当折磨人。合作组内的每个人对于论文中采取的提法应有多重份量都有各自不同的看法．而我们很难使四百位编辑皆大欢喜此外．当几个月之后这项工作终于接近扫尾之时．我们甚至还收到了合作组以外的物理学家提出的修正意见。而这些人照理是不该得到论文草稿的。经过反复讨论之后，合作组决定，在报导我们的成果时，不把它说成是一项发现。而是慎重地把它说成顶夸克存在的证据。1994年4月22当我们最终将论文交付发表时，我们大家都觉得它是一篇非常好的论文，是一个高水平的、充满民主作风的过程的结品，而我们则但愿永远也不要再经历这样一种过程。

我们把所有草稿和有关文件都用pot这个假名存在我们秘书的计算机的一个子文件目录中。不出所辩．这种轻而易举就能被人识破的代号没有起到多少保密的作用。就存我们的结果宣布之前，两位博士后研究生存电子公告栏1．发袁丁一篇含糊其辞的理论文章。根据一项莫其妙的理论．他们预测了顶夸克的质量一一直到最后一个小数位都和CDF的数据完全一模一样——并他们还提到他们希望得到聘川。

在提交了CDF的论文几天后．我们在费米实验室举行了一次讨论会和新闻发布会．宣布r我们的发现。DO台作组也介绍丁他们的战果。虽然D0的数据与CDF的数据并不矛盾，但这些数据没有显示多少令人信服的证据证明顶夸克的存在，只有在他们实验开始的初期记录到的唯一一个不寻常事件是例外．不过，该小组为顶夸克质量没定的值偏低因而他们-＆计的搜寻方案不是最优的。

在几个星期之内，D0已完成了它（对质量较大的顶夸克）的承新分析．并且也观测到顶夸克的某些证据。与此同时，两个合作组都着手搜集丑!多的资料．为了证实这一发现．我们需要的顶夸克事件至少应为平中已掌握的两倍。CDF小组投了一个新的硅顶点探测器：原先的那个探测器已凶辐射而遭到损坏．对于这个新探测器，我们又必须熟悉它的特点．但最终这个装置工作得比第一个探测器还要好。我们编写l『一个新的算法，以利川这个顶点探测器来探测顶夸克的待定事例。在这过程中充分利用我们以前的经验。一旦获得r足够的数据．我们就州这个完整的算法束处理这些数据。几乎立即就明显看出，我们的确发现了顶夸克。

最终的报导是1995年3月2发表的，它表明CDF和D0两个合作组都获得了不容置疑的顶夸克证据。两个小组均报导．它们的顶夸克待定事件可以单用背景事件来解释的概率小于50万分之一。

自那以来．我们已扶得丁100个以上的顶夸克事件。我们还对超越标准模型的现象进行了初步的搜寻。硬夸克的质量极大(现在测定的质量伉为175．6Gev)，这一点表明它可能从根本不同于其它夸克。这样顶夸克就点燃丁一种希望：它有r能引导我们超越标准模型。这一模型虽然扶得了成功，但仍然留下许多未解之谜。

在标准摸型的范围内．山w粒子和z粒子传递的弱互作用以及由光子传递的电磁相互作用．当能量达到极高时就统一成一种“电弱柑互作用。在最初的宇宙中在这样极高的能量。而在我们生活的低能世界中．电磁相互作用和弱相互作用的性质是完全不同的。现在还不知道它们最初的对称性的破缺是山什么机制引起的．但在最简单的模型中，造成对称性破缺的是一种新的粒子．称为希格斯(Higgs)粒子。

在极高的能量下．当电磁相互作用和弱相互作用的对称性存时．W粒子、Z粒子、光子、轻子和夸觉全都没有质量。在较低能量下，当这一对称性破缺后，w粒子和z粒子与希格斯粒子相互作用，从而获得质量。夸克和轻子也在这一过程中获得了质量。然而．w粒子和z粒子的质量可以根据准模型计算出来，但夸克和轻子的质量却必须用某些可调整的参数来计算，这些参数描述每种类型的夸克或轻子同希格斯粒子的相互作用(或耦合)的强度。

对于电子(它的质量非常轻)，其耦合强度为3X10。对于顶夸克．耦合强度几乎恰好为1。与希格斯粒子的这种比较强的耦合作用．以及在一定程度上单位1这个数字所蕴含的神秘性，表明顶夸克可能起着某种特殊的作用。我们还不知道这种作用到底是什么。可以肯定的是．由于顶夸克具有巨大的质量．它在与其它粒子的相互作用这方面是影响力最大的夸克。例如．非常精确地测定顶夸克的质量以及w粒子的质量．将使研究人员能预测希格斯粒子的质量。

有几条实现弱电理论对称性破缺的途径不需要借助于基本的希格斯粒子．在一种待验证的理论中．顶夸克一反顶夸克对代替了希格斯粒子。这个理论预言．存在着某些新的重粒子．它们衰变成顶夸克一反顶夸克对。这样一种效应将提高顶夸克产生的速率。

顶夸克之上

顶夸克的巨大质量使得它的衰变为搜寻新粒子提供了极为丰富的机会。某些理论家猜测．CDF搜集到的某些事件可能含有超对称粒子[见《科学》1986年10月号Howard E. Haber和Gordon L. Kane所著自然界是超对称的吗？一文]。超对称性是一种假设的对称性，它给标准模型中的每种粒子都分配了一个至今尚未发现的对应粒子。如果这类对应粒子存在．并且比顶夸克轻，它们就可能在顶夸克事件中出现。例如．一个顶夸克可能衰变成它自己的超对称对应粒子(stop，即超顶夸克)。超对称性也有可能使一个胶微子(gluino，与肢子对应的一种假设粒子)衰变成一个顶夸克一反顶夸克对。这些效应甚至可能相互抵消．使观溅到的顶夸克和反顶夸克的产生不会出现任何净变化。

超对称性预测．存在着一个希格斯粒子族(包括4种或4种以上的希格斯粒子)．而不仅仅是一种希格斯粒子。如果这些希格斯粒子存在，并且比顶夸克轻，那么在顶夸克的衰变中能够发现其中某些粒子。CDF和D0都对这些假设粒子进行过搜寻．但至今只获得了零结果。

另外一个关键问题是．夸克一一特别是大质量的顶夸克一一是不存在任何亚结构的真正基本的粒子吗?最近，CDF合作组测定了费米实验室对撞机中高能喷流产生的速率．发现它比人们预计的要高。大角度的极高能散射(类似于卢瑟福散射．此散射表明原子有一个核)使人们获得对碰撞粒子的结构的深入认识。对我们的结果的一种可能解释是．过多的喷流是由夸克内部的更小成分的碰撞所引起一一这是其它任何实验都没有观测到的现象．

这样大胆的一个结论——它将完全改变夸克理论——只有在我们能够排除其它所有各种可能性的情况下才可以作出。喷流产生的过剩也可能源自于预测中存在的难于把握的不精确性。现在我们正在研究这些可能性。目前的资料有利于些更恼人的解释中的一种。眼下我们不得不认为，尽管顶夸克质量很大．但它的确是基本粒子．不存在任何结构．

现在费米实验室的加速器正在改造．而CDF和DO两个合作组也在着手大大改进它们的探测器。我们将在1999年重新开始取得数据。改造后的加速器将使顶夸克的产生速率达到原先的20倍，而探测器经改造后也将大大提高其鉴别顶夸克的效率。这两项改进合起来的结果是，两个合作组发现顶夸克的速率将比以前提高30倍，这样就使我们能对顶夸克的性质进行更详细的考察。到2006年．欧洲粒子物理实验室(CERN)的大型强子对撞机将投入运行。它产生的两个质子束将以14TeV的能量对撞(1TeV为1万亿电子伏特)——相当于费米实验室对撞能量的7倍——从而可使顶夸克一反顶夸克对的产生速率达到几乎每秒一次。

在几年之内，物理学家将开始利用顶夸克来尝试回答目前仍未解决的有关物质以及支配物理世界的各种力的许多问题。在我们目前已知的范围之外还可能出现哪些新的物理学原理．这是一个正在积极猜铡的问题：只有当测量结果开始揭示出自然界的运行机制时，猜测才会告终。

图2根据CDF上的最初12个事件重构出的顶夸克质量(上)聚集在175GeV这个数值周围，但是顶夸克和W粒子的质量的已如精确度还不足以预测希格斯粒子的质量(下)。该质量可能在100GeV到1000GeV这一范围内。

图3约有1千名物理学家和不计其数的工程技术人员参与了CDF和DO合作组寻找顶夸克的工作。这两个合作组在报导此项发现的各自论文的头儿页列满了参加者的名字。