顶夸克的发现
顶夸克的探寻过程,充分展现了在对撞机里寻找粒子的困难。那时,对撞机的能量还不足以制造它,而实验者发挥聪明才智,千方百计地应对这一挑战。虽然顶夸克不是已知物质原子的组成部分,但没有它,标准模型就不完善,因此,自20世纪70年代,物理学家就坚信它的存在。可是直到1995年,人们才探测到它。
那时,对于顶夸克,物理学家已徒然地寻找了多年。标准模型里第二重的粒子——底夸克,已在1977年发现,它的质量是质子的5倍。虽然当时物理学家都以为顶夸克马上就要现身了,实验者们争先恐后地要找到它,并宣布这一盛事。但令人惊讶的是,一次次的实验均告失败,人们以40倍、60倍甚至是100倍于产生质子所需要的能量进行对撞实验,还是未能找到它。顶夸克显然一定很重——远远重于其他所有已探测到的夸克。经过20年的追寻,人们终于找到它的踪迹,这才发现它的质量几乎是质子质量的200倍。
因为顶夸克这么重,狭义相对论关系告诉我们,只有在极度高能的对撞机里才能将它生成。高能量总是需要一个大型的加速器,这在技术上难以实现,而且耗资巨大。
最终生成顶夸克的对撞机是费米实验室的Tevatron,位于伊利诺伊州离芝加哥30英里外的巴达维亚草原。这一对撞机最初设计的能量,距离生成一个顶夸克所需的能量还要差很远,但工程师和物理学家们进行了多次改进,大大地提高了它的性能。Tevatron凝聚了多次改进的成果,1995年,它的运行能量大大增加,并进行了多次对撞,这是最初的机器根本无法做到的。
Tevatron现在仍然在运行,坐落于费米实验室,该实验室是一个加速器实验中心,为纪念物理学家恩里科·费米而得名,于1972年投入使用。我第一次到费米实验室时感到非常有趣,在那里有野生的玉米、鹅,更奇特的是,甚至还有野牛,但除此之外,这里便再无奇趣可言,可以说是呆板、枯燥的。电影《反斗智多星》(Wayne's World)就在费米实验室南5英里的奥罗拉取景,如果你熟悉这部电影,就知道费米实验室的周边环境了。好在物理学家们是能鼓舞人心的,总会让你高兴起来。
Tevatron的得名是因为它加速的质子和反质子能量都要达到1 TeV(太电子伏),等于1000GeV(吉电子伏),这是迄今为止所有加速器所能达到的最高能量。Tevatron产生的高能质子和反质子束在环形机里循环,每隔3.5微秒在两个对撞点产生对撞。
粒子和反粒子束路径交叉的地方会发生有趣的物理过程,因此,在两个对撞点上安排了两个独立的实验团队并分别安装了探测仪,其中一个叫CDF(费米实验室对撞机探测仪),另一个叫Do(这是放置探测仪的质子与反质子对撞点的名称)。这两个实验旨在广泛地搜寻新的粒子和物理过程,但在20世纪90年代早期,物理学家梦寐以求的就是找到顶夸克,两个实验团队都想最先发现它。
多数重粒子是不稳定的,很快就会发生衰变。衰变发生时,实验要寻找的就是粒子衰变的产物,而不是粒子本身。例如,顶夸克会衰变成一个底夸克和一个W(传递弱力的带电规范玻色子);而W也会衰变成轻子或夸克。因此,寻找顶夸克的实验要找的就是底夸克协同其他的夸克或轻子的组合。
然而,粒子出来的时候可不会挂着姓名标签,因此,探测仪只能通过它们的特别属性来辨认,如它们的电荷或参与的相互作用,而且,这些属性分别需要探测仪里不同的部分来记录。分置于CDF和Do的两个探测仪也都分成了几个部分,每一部分记录不同的特征。有一部分叫做追踪仪,它探测的是从原子里电离的电子在其航迹里所留下的带电粒子;另一部分叫热量计,测量粒子通过时所释放的能量;探测仪里还有其他一些组成部分,分别用来辨识有着其他特别属性的粒子,如底夸克,它在衰变之前的寿命比其他的大多数粒子都长。
探测仪一经捕捉到一个信号,就会通过大量的电线和放大器来传输这一信号,并记录结果数据。但是,并非所有的探测结果都值得记录,当质子和反质子相撞时,很少会生成有趣的粒子,如顶夸克或底夸克;更多时候,碰撞只能产生轻夸克和胶子,甚至还有些时候根本不会产生任何有价值的东西。事实上,在费米实验室里,为产生一个顶夸克所进行的对撞,有千百亿次根本不含顶夸克。
面对如此大量的无用数据,没有一个电脑系统足够强大,以致能够找到有意义的对撞。
因此,实验总会包含一些感应器,这种装置包含一些软、硬件设施,只允许一些可能有价值的结果得到记录,其作用就像是夜总会雇用的把门的保安,专门驱逐那些捣乱的人。在CDF和Do两个实验站里的感应器,将实验所需筛选的对撞数量缩减到了万里挑一 ——这仍是一项巨大的挑战,但相比从上百亿次里选择已经容易多了。
一旦信息被记录下来,物理学家就尽力去解读,并重建任何从有意义的对撞里出现的粒子。因为总是会有很多次对撞、很多的粒子,而信息却是有限的,所以重建一次对撞的结果是一项艰巨的任务,它也拓展了人们的聪明才智,或许在未来的几年里,数据分析就会有更进一步地发展。
1994年之前,CDF的好几个工作小组都发现,有几次对撞很像顶夸克(如图8-1),但他们并不确信。尽管CDF小组不敢肯定那年他们已发现了顶夸克,但1995年Do和CDF两个实验站都确认了这个发现。我在Do里的朋友达伦·伍德(Darien Wood)向我描述了最后编辑理事会的紧张,他们要在会上完成数据分析和报告实验结果的论文。会议进行了一整夜,他们累了,就趴在桌子上小睡一会儿,然后继续。
该实验探测顶夸克以及同时产生的反顶夸克的衰变产物。右上角的直线是一个µ子,它直达探测仪的外围;
4个长方形的组块是产生的4个“喷射流”;向右的直线是中微子消失的能量。
Do和CDF两个实验团队为顶夸克的发现共同作出了贡献:一个以前从未出现过的粒子终于被制造出来,这一新发现的粒子与其他已确定的粒子一起,加入到了标准模型的队列里。
现在,我们已发现了许多顶夸克,因此已确切地了解了顶夸克的质量和其他属性。我们甚至担心,将来高能对撞机会产生太多的顶夸克,以至于顶夸克反倒会成为一个混淆和干扰其他粒子发现的背景。
新的物理肯定会被发现。很快我们将看到,为什么说标准模型的未解问题告诉我们,只要对撞机的能量比现在再高一点,就有可能出现新的粒子和物理过程。大型强子对撞机(LHC)实验就是要寻找超出标准模型的结构的证据。如果这些实验成功,回报将是丰厚的——它是对所有物质基本结构的更好的理解,要完成这一艰巨的任务,既需要高能的、多粒子的碰撞,更需要新的观点。
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