§16 粲夸克、底夸克和顶夸克

1974 年美籍华裔物理学家丁肇中和美国物理学家里希特（ Burton Richter）互相独立地发现了第四味夸克，称为“粲夸克”，用符号 c 代表， 它是通过发现 J/ψ粒子实现的。J/ψ粒子是粲夸克和反粲夸克所组成的，质量是质子的3 倍多，平均寿命比其他质量相近的重介子要长1000 倍左右。1977 年美国物理学家莱德曼（Leon Max Ledermann）发现了第五味夸克，称为“底夸克”，用符号 b 代表，它是通过发现Υ粒子实现的。Υ粒子是底夸克和反底夸克所组成的，质量是质子的 10 倍多，平均寿命比 J/ψ粒子还长。理论上预言还应存在第六味夸克，称为“顶夸克”，用符号 t 代表，实验上从 1977 年以来一直在寻找顶夸克，直到 1995 年终于在实验中发现了顶夸克。

狭义相对论给出粒子具有的能量等于粒子的质量乘真空光速的平方，因此粒子静止质量的大小可以用相应的静止能量来表示。上夸克的值为5.6MeV，下夸克的值为 10MeV，奇异夸克的值为 200MeV，它们统称为轻夸克。粲夸克的值为 1350MeV，即 1.35GeV，底夸克的值为 5000MeV，即 5.0GeV，统称为重夸克。过去理论上对还未发现的顶夸克的相互作用性质和运动行为给出了详细的预言，但对于它的质量则完全没有预言。1977 年发现底夸克后， 人们从已发现的各夸克质量变化的趋势，曾猜测顶夸克的质量可能是底夸克质量的 3 倍左右，即 15000MeV 附近，但在这质量附近并没有找到顶夸克。从1977 年以后的十几年间，先后在德国汉堡的正负电子对撞机 PETRA、美国斯坦福的正负电子对撞机 PEP、日本的正负电子对撞机 TRISTAN、瑞士日内瓦的质子对撞机 SPS、美国斯坦福的正负电子对撞机 SLC、瑞士日内瓦的正负电子对撞机 LEP 上都进行了大量的工作来探寻顶夸克，但都一直没有找到。每一次否定的实验结果都给出顶夸克质量的一个下限。随着实验的不断进展，顶夸克质量的下限不断提高。后来综合各方面的实验结果、结合理论分析，已经能够推测出如果顶夸克确实存在，其质量应该为

m=（169±27）GeV。直到 1995 年 3 月，美国的费米实验室才正式宣布发现了顶夸克。顶夸克的质量为

m=（180±12）GeV。至此全部六种夸克都已经被发现了。

顶夸克是粒子世界中现在已经发现的最重的一个组元，它的质量远比现在已经发现的其他粒子重得多，就是和原子世界中的原子来比，也是相当重的。如果用原子量来表示顶夸克的质量，顶夸克的“原子量”为 193.24。作为对比，铱的原子量是 192.22 ，铂的原子量是 195.08，金的原子量是196.96654，顶夸克的原子量和它们接近。然而顶夸克具有的重子数只是

1/3，铱的重子数是 192，铂的重子数是 195，金的重子数是 197，在重子数的值上的差别就显现出来它们分属于物质结构的不同层次。