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费米实验室通过弱核力成功生成s 通道单顶夸克

来源: 作者: 时间:2014-02-27

上图表显示了s-通道单顶夸克的产生过程:在Tevatron粒子加速器中,来自注入质子的夸克和来自注入反质子的反夸克相互作用,形成一个质量更大的W玻色子;W玻色子随即衰变成一个顶夸克和一个反底夸克,并被CDF和Dzero两个实验小组探测到。

费米国家加速器实验室供图

夸克是比质子、中子更微小的物质组成基本粒子,但它们并不会自然、独立地存在于自然界中,只有当粒子(电子或质子)以接近光速发生碰撞时,才有可能被制造出来,并且转瞬又会衰变成其他物质。美国能源部费米国家加速器实验室的CDF和Dzero两个实验小组日前共同宣布,他们已经观察到了创建一个顶夸克的最罕见方式——通过弱核力生成s-通道单顶夸克。这项发现有助于科学家们完整地了解顶夸克的“面貌”。

顶夸克是最重、最令人费解的基本粒子之一。它们的重量甚至超过了希格斯玻色子,几乎与一个金原子相当。在6种夸克中,顶夸克是最后被找到的,迄今只有两台机器曾经创建过它们:费米实验室的Tevatron粒子加速器和欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)。按照粒子物理标准模型这一理论框架的预测,有几种方式可以产生顶夸克,其中最常见也是首先被观察到的方式就是:在粒子碰撞事件中,通过强核力创建出由一个顶夸克和它的反物质反顶夸克组成的对子。

在碰撞中通过弱核力产生单顶夸克非常罕见,对这一过程的探测也最具挑战性,而这也是Tevatron粒子加速器的终极目标之一。据物理学家组织网2月25日(北京时间)报道,两个实验小组的科学家对Tevatron粒子加速器在2001年至2011年间开展的超过500万亿次质子—反质子对撞实验所获得的数据进行了分析和筛选,最终确认在大约40次粒子对撞中,弱核力产生了与单底夸克成对的单顶夸克。

寻找单顶夸克的难度犹如大海捞针:在500亿次粒子加速器碰撞事件中,只有一次会产生s-通道单顶夸克。科学家仅从中选定了一小部分,将它们从背景中分离出来,这也是为什么在这一特定通道观测到的数量如此之少的缘故。不过,数据的统计显著性对于宣布一项发现已是绰绰有余。

CDF和Dzero两个实验小组是在2009年首次观察到粒子对撞中由弱核力产生单顶夸克的。这一结果后来获得了大型强子对撞机实验的证实。“这是一个重要的发现,为标准模型提供了一个有价值的补充。”美国能源部高能物理科学分部副主任詹姆斯·西格里斯特说。

每个中子或质子,都由三个夸克组成。夸克之间感情真挚,难舍难分。夸克间的距离稍微拉开一点,一股巨大的力量就会拽它们回来。因此,需要很强大的撞击,才有可能扯开它们的手。而从弱核作用(类似于衰变概念)产生夸克,更是500亿次碰撞才发生一回的特殊事件,比铁树开花还要稀奇。亏得有超级计算机帮忙筛查数据,光凭人力哪能有此发现?想要一窥世界基本结构的奥秘,可真费事啊。

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