@ 2014.03.03 , 09:00

科学家终于发现了顶夸克的形成过程

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科学家已经发现了极罕见的顶夸克的形成过程,顶夸克是组成质子和中子的的粒子之一。而且这个过程似乎与标准模型(Standard Model)的描述相符,这个自二十世纪七十年代建立起的尚不完整的模型认为亚原子粒子是宇宙的产物。

然而这个新发现并未消除用其他物理理论来解释暗物质和暗能量的可能性,反而在提醒科学家们到别的地方去搜寻那些未知物理现象的线索。

粒子加速

质子和中子是由微粒夸克组成的,夸克具有不同的“味”(上、下、魅、奇、底及顶)。这些夸克被另一种粒子——胶子捆绑在一起,形成质子、中子及其他强子。

1995年,科学家与巴达维亚的费米国立加速器实验室发现了顶夸克,它是目前已知的最重的亚原子粒子。巴黎大学的研究室主任、这项新发现的发言人 Gregorio Bernardi 说,顶夸克的质量是质子的170倍,甚至希格斯玻色子与之相比都相形见绌,要知道物理界一直认为希格斯玻色子是赋予其他粒子质量的存在。

标准模型对于顶夸克的产生做了数种不同的预言。除了其中一种,其他预言都已被科学家们证实了。

湮灭过程

剩下的那个是一个“相当罕见的过程,该过程发生时会有一个夸克和一个反夸克同时湮灭”,Bernardi 说,无论何时物质和反物质相触都会发生湮灭。

整个湮灭过程只是转瞬间的事,湮没之后会生出一个W玻色子,它是传递弱相互作用的媒介粒子。W玻色子会迅速衰变,生成一个顶夸克和一个底夸克。意大利国立核子物理研究所的物理学家 Luciano Ristori 说,这两个夸克会衰变出一堆粒子,一粒电子或是一个μ介子和一个中微子,那是一种极少与物质发生作用的幽灵粒子。

但是W玻色子比顶夸克轻多了,为了将轻盈的W玻色子衰变成更重的粒子,这个过程需要超乎想象力的巨大能量,所以这个过程非常罕见。

捕捉粒子

为了找出这个过程,自2001年到2011年,科学家们在费米实验室中以兆电子伏特加速器用500万亿质子和反质子进行了两次对撞实验。然后,他们找出证据终于证明了顶夸克是通过弱相互作用产生的。

那两次实验将一束质子和反质子撞成了另一种粒子。由于顶夸克消失得极快。科学家们需要借助厚重的铁、铅或铀探测器和电磁场,捕捉反应生成的那些粒子,以此来证实顶夸克的存在。Ristori 说,虽然中微子无法立刻检测出来,但是可以通过反应中缺失的能量对中微子进行计算。

Ristori 还说,根据实验中这些物质的检测频率,该新研究证实了标准模型对于顶夸克性质的预测是准确的。他对 Live Science 的记者说:“发现这个的概率地狱百万分之一,我们只是有幸遇到了一系列的巧合。”

虽然这个成果非常惊人,但是这个发现同时也意味着一旦涉及到标准模型之外的物理领域,科学家们就近乎在全黑之中摸索。标准模型并不适用于天文学上的暗物质和能量观察。

Ristori 表示:“如今最大的物理谜题在于暗物质和暗能量,我们必须想方设法的对此进行解释。但是目前,我们还毫无进展。”

本文译自 livescience,由译者 小脑袋 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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