聊粒子-底夸克和顶夸克的发现

20 3月

1956年杨振宁李政道提出宇称不守恒的假设,次年被吴健雄通过实验证实后,人们才愿意接受了宇称不守恒。但守恒实在是深入人心,所以前苏联物理学家朗道(1908年-1968年)和学生沙皮罗就提出了“CP守恒”。

即虽然宇称(Parity)不守恒,但加上电荷(Charge)在一起就守恒了,取首字母就是“CP守恒”。

其实在杨振宁李政道之前,沙皮罗就想到过宇称可能不守恒,还写了论文。但导师朗道不相信什么宇称不守恒,就拖着一直没让发表论文。沙皮罗就这么被导师坑了,得知杨李二人得诺奖后,欲哭无泪。

朗道就安慰沙皮罗:“谁能想不到守恒定律还能被打破啊。但别灰心,宇称加上电荷整体应该是守恒的。”

于是他俩就发表了CP守恒的论文,结果又为别人做了嫁衣。

1964年克罗宁(1931-2016)和菲奇(1923-2015)通过观察中性K介子的衰变,发现弱力中CP也不一定守恒,叫做“CP破坏”,因此获得了1980年的诺贝尔物理学奖。

反正沙皮罗注定是被导师朗道坑了,一生无缘诺奖。

人们守恒之心不死,又给CP加上了时间(Time),即宇称电荷时间整体是守恒的,简称“CPT守恒”,但仍处于理论阶段。

1973年小林诚(1944-至今)和益川敏英(1940-至今)根据K介子衰变中的CP破坏,预言了存在第三代夸克底夸克和顶夸克的存在。

之前人们已知夸克有4种:盖尔曼预言了上夸克,下夸克,奇夸克,格拉肖预言了粲夸克。加上底夸克和顶夸克,总共6种夸克构成了我们现在的标准粒子模型(下图紫色部分)。

1977年莱德曼(1922-2018)发现了Y粒子,是一种由底夸克和反底夸克合成的介子,也证明了第5种夸克底夸克的存在。

底夸克电荷−1/3e,质量是质子的四倍多。莱德曼一生的成就太多了,他因为“中微子束方法及通过发现μ中微子验证轻子的二重态结构”获得了1988年的诺贝尔物理学奖

顶夸克一直比较难找,因为出现的概率太低。原本预测顶夸克质量在30-50GeV之间,用100GeV的质子对撞机,撞了10几年也没发现。

只能修改理论,预测顶夸克质量应该在180GeV左右。

几个大型实验室,如CERN欧洲核子研究中心,美国芝加哥的Fermilab费米国立加速器实验室,SLAC斯坦福直线加速器中心等,都公开竞争,争相寻找顶夸克。

最后1992年Fermilab费米实验室的CDF实验室进行了10^12次,即万亿次对撞后,宣布其中有1600万次碰撞被认为是有效值得分析的碰撞。

经过2年的分析,在1600万次有效碰撞中,发现其中12次碰撞有可能发现了顶夸克。又在12个结果中精挑细选了7个结果,有力的证明了顶夸克的存在。

1995年3月CDF实验室正式召开发布会,宣布顶夸克的存在。Fermilab费米实验室:

小林诚和益川敏英因为预言了第三代夸克“底夸克”和“顶夸克”,获得了2008年的诺贝尔物理学奖。

同年日本的南部阳一朗(1921-2015)因为发现自发对称性破坏机制也获得了诺奖。当年的诺贝尔物理学奖被日本包揽。

可惜CDF实验室没能拿诺奖,因为参与的人实在太多。

后来2008年CERN欧洲核子研究中心建造了LHC大型强子对撞机后,CDF就比不过了,2011年CDF就关闭了。

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