大约600位物理学家开始对最重要的物质结构单元予以新的追寻。顶夸克可以帮助解释宇宙质量的起源。
30年前，搜寻物质结构单元犹如进行规模宏大的动物探险。物理学家以高能粒子束为武器，探测原子核，追踪迷人的新亚原子粒子的径迹。当加速器粒子束击碎原子核（在这里质子和中子被一种叫强力的相互作用束缚在一起）时，他们识别了数百种未知粒子。这是一个令人眼花缭乱而激动人心的伟大时期。
在这一时期中，除了发现丰富的亚原子粒子外，还出现了一种惊人简化的理论：夸克假设。它指出，所有强相互作用粒子都是由点状的夸克所组成，就我们现在所知，所有的物质都由夸克和另一种叫轻子的点状粒子小家族所组成，最出名的轻子是电子。用来解释导致夸克和轻子之间的相互作用的是作为媒介的力载体的交换。
夸克假设当即被关于两种基本相互作用的统一理论的明确表述所采用，定名为标准模型。四分之一多世纪以来，经过日益增加能量因而精确度越来越高的检测，表明这一理论是至今最具预示力的、用公式表述的宇宙模型。
到现在，这个伟大理论所预言的大部分物质结构单元已经被发现。在预测高能加速器实验结果上，标准模型取得惊人的成功，只有为数很少的几个难题尚待填补（偏巧是几个有关宇宙本质的十分基本的问题），其中一个关键问题是获取现行理论所预言的6种夸克中那个最后的也是最重的顶夸克的实验证据。
搜寻顶夸克已成为摆在粒子物理实验工作者面前的最大挑战之一，数以千计的研究人员已为之奋斗了15年。今年5月，世界上最强大的质子-反质子碰撞器——费米国家加速器实验室的Tevatron——开始为期2年的运转，它将在有控条件下以迄今最高的能量密度搜寻粒子的证据。研究工作从此进入一个新的阶段。先前的实验已经开启的极早期宇宙的窗口，用这些能量可以有效地把它开得更大。顶夸克可能在自然界存在过，那只能是在大爆炸后的第一毫微秒（10-9秒）时；它是如此之重，以致只有在非同寻常的环境下才能重新出现。
最近一个阶段是物理学史上一次最大的力量集中，过去的实验是由小型的物理学家小组进行的，而现在的两个相互竞争的组各拥有250个以上的合作者，他们将分拣超过万亿（1010）次质子-反质子碰撞，从“破砖碎瓦”中搜寻很少事件中的顶夸克的精细证据。
本文要说明寻找一个粒子为什么这么困难，描述现在用来产生和发现它的实验手段，阐述构成发现顶夸克的证据应当是什么，讨论为什么我们预期在下一个10年内找到这种粒子，并描述实验的若干理论应用。
我们搜寻顶夸克不只是为了填补夸克的第六个空白。没有顶夸克，标准模型就要垮台。还有，部分是因为顶夸克必然很重，它可以阐明质量的来源，这是粒子物理学提出的最为紧迫的问题之一。标准模型的结构紧密，我们已经对它知之甚多，只要再有一对剩留参量的测量结果就会给质量起源带来意义重大的深入了解。顶夸克的质量和另一种叫W的力载体粒子的质量之间的关系将对标准模型所提出的质量生成理论要么提供支持，要么加以反对。
粒子和力
把粒子作为自然界力的介体，这一概念为建造和检验标准模型和与之相联系的关于宇宙形成的“大爆炸”理论提供了构架，也为探索物理世界许多别的深层重要问题提供了构架。标准模型鉴别了自然界的4种力：电磁力、强力、弱力和引力。这在实践上是精密的，概念上又很简明。各种力都是在力的载体被2个基本粒子所交换时进行传递的。其中有2种力只是在极短程范围内（例如原子核内的夸克之间）起作用，而另外2种力的效应却跨越很长的距离。
最熟悉也是理解得最好的相互作用是电磁相互作用，不同形式的电磁辐射（如包括的可见光和无线电波）可以认为是荷电粒子（夸克或轻子）之间交换无质量的光子——光能量子（或袋）。这种交换建造出的模型是我们关于别的几种力的观念赖以建立的基础。
强力是把夸克结合在一起从而使原子核束缚在一起的相互作用，它是借一种叫胶子的无质量粒子从夸克到夸克进行传递的。胶子的交换对夸克特性所起的作用叫做色，它可与电荷相比拟。夸克组成质子和中子，又以之组成原子的原子核，它们具有色和电荷，而把电荷给予质子。
第三种力叫弱力，它在恒星内部控制着氢燃烧成氦的过程。它由类似的模型所描述：弱力的载体叫做W+和W-（W的两种形态）的荷电粒子和叫做Z°的中性粒子。这时，载体具有质量并在夸克和轻子之间进行交换。标准模型认为，电磁力和弱力是从统一的单个“弱电”力产生出来的。这是一种假设，它要求顶夸克的存在。
绕原子核作轨道运行的是熟悉的电子，它是普通物质要素中唯一的轻子。电子电荷是-1相对于质子电荷+1。还有别的轻子带有相同的电荷，它们存在于极端的条件之下：一种是μ介子，它是30年代后期在地球高层大气的高能宇宙射线相互作用的副产物中发现的；另一种是τ介子，它是在加速器实验中首先发现的。此外，有一种不带电荷，而且近乎不具质量的轻子叫中微子，它是1933年泡利为了解释原子核衰变中的剩余能量而提出的。因为公认每种荷电轻子都有一种相关的中微子，所以中微子也有3种。
图1是最新版本的基本粒子周期表。自从1964年加州理工学院的M · 葛尔曼和G · 泽韦格提出夸克假设之后，此表已逐项进行了填充。当时只需要3种夸克来解释全部强相互作用粒子的行为，它们已经在60年代的伟大动物探险中观察到了，被分别命名为上夸克、下夸克和奇异夸克、质子是1个下夸克和2个上夸克的束缚态，中子则由1个上夸克和2个下夸克所组成。然而夸克假设仅仅是粒子物理理论革命的开始。到70年代后期，基本粒子周期表已经增加到11种粒子，极大地实现了标准模型的指引。
质量和标准模型
标准模型的发展是以物理力的统一公式描述为开端的。为之作出贡献的是哈佛大学的格拉肖、伦敦皇家学院的萨拉姆以及麻省理工学院的温伯格。他们对粒子物理学作出突出的成绩。质量的概念在这一理论中扮演着重要角色。
他们提出，电磁力和弱力的载体（光子W+、W-、Z°）原本没有质量。除了光子，W粒子和Z粒子经过叫对称破缺的过程而获得质量。这个过程产生了两类载体粒子，结果产生了两种不同有效强度和不同特性的力。W和Z粒子十分重，是到目前为止所发现的最重的粒子。爱因斯坦证明质量和能量可以转换，因而通常就用能量单位来表示质量、W的质量大约为8×1010电子伏（或记作80 GeV）：Z大约为9.1×1010电子伏（91 GeV）。相比之下，质子只有1 GeV不到一点。
对称破缺是一个重要概念，但是把质量赋予W和Z粒子而让光子不具质量，这样的机制还待建立。悬而未决的主要问题是：任何一种粒子，随之任何一种宇宙物质是怎么会得到质量的。质量被定义为物体对加速度的抵抗，它是原始的然而是重要的量，并以特殊的方式被引入基本粒子理论。
关于质量的产生有一种领先的解释叫希格斯机制，这是因爱丁堡大学的P · 希格斯得名的。它被认为是标准模型的一部分。但是目前它只是一种数学运算，根据这种运算，在描述粒子行为的算式中将质量给予粒子。
按照这样的观点，希格斯场是一种自相互作用的场，散布在另外的真空空间之中。场与弱电力载体相互作用，也与夸克和轻子相互作用。作为弱电力载体（W、Z和光子）在W和Z获得质量时就发生一种相变，然而光子仍保持无质量。这样的相变同物质变为超导体时其内部所起的变化酷似。超导介质的作用像希格斯场，任何封闭在介质内部的光子获得一有效质量。弱力不同于电磁力的特点是希格斯场所建立的W和Z的特重性和光子的无重性。
希格斯场还同夸克与轻子相互作用。这时耦合越强，质量越大。但这一事实并不像弱电力载体那样使理论简化，因为对每一种夸克和轻子都必定有一个独立的耦合强度（从而质量亦然）进入方程。所以希格斯机制不能预示它们的质量，尽管多少有所“描述”。这是希格斯模型的主要缺点。
每当一座新的高能加速器投入使用时，物理学家总是用它来搜寻希格斯粒子，或者寻求对称破缺的可取解释。人们建议CERN建造超级超导碰撞器和大型强子碰撞器，这是主要理由之一。现在，如果费米实验室的合作者能成功地作出顶夸克质量的精确测量，同时精确测量W粒子的努力也能取得成果，那么一些有关希格斯机制的问题可能找到答案。目前还没有关于轻子和夸克质量基本构成的清晰轮廓。现在知道的轻子和夸克质量的测量值覆盖很大的范围。最轻的中微子即电子中微子的质量是质子的五千万分之一弱。顶夸克质量的最低限估计约为质子质量的100倍，从基本粒子周期表中可以看到一个同化学元素周期表的相似点。如果氧的质量是氢的10亿倍，那就很难想象门捷列夫怎么能研究出原子或原子核的清晰图画。
有一种推测认为最重的夸克同对称破缺的关系最为密切。产生这种推测不只是由于顶夸克的质量。标准弱电理论（包括关于质量的希格斯模型）作出关于特定粒子相对质量的预言；把它同顶夸克质量和W粒子质量的精确测量值相比较，是一种对弱电对称破缺机制具有重大意义的检验。
顶夸克的历史
夸克和轻子周期表不只是描述弱电相互作用的结构，而且巧妙地勾勒出基本粒子发现的历史。周期表将夸克和轻子排列成三行，各行称之为代，每代由一对夸克和一对轻子所组成。正像生命的世代接续，粒子周期表中展示了粒子物理按世代的演化。
第一代由最轻的粒子组成，它们是上、下夸克、电子及其中微子。这一代说明了宇宙的稳定物质。更为奇异的第二代中首占位置的是μ介子，它是30年代在宇宙线相互作用中发现的。第三种夸克是奇异夸克，它是1964年由盖尔曼和茨韦格提出来的，是第二代中的首位夸克。电磁和弱力统一理论要求奇异夸克有一个伙伴，1973年2个独立的实验发现了粲夸克，它被认为是奇异夸克的伙伴，这为夸克假设提供了盼望已久的证据，给了标准模型的发展以重大推动。
自1975年以来，第三代的位置得到了填补。那一年，SLAC的玻尔及其合作者发现了一种新的较重的轻子，叫τ轻子。2年之后，第三代夸克（也比以前的两代重）被列德曼领导的费米实验室在一次实验中发现了，接着哥伦比亚大学发现了同样的事件，它取名为底夸克，质量大约是质子的5倍。τ中微子填补了轻子的位置，于是开始了搜寻底夸克伙伴的工作。按照夸克伙伴命名的奇偶传统，它只能取名顶夸克。
当寻找顶夸克的工作着手进行时，许多理论家从已知夸克和轻子的质量中觉察到一种程式，如果用它外推，就预示顶夸克有近乎15倍于质子的质量。这些预示推动了不少有关这一周期的实验，其中一部分就是专为发现顶夸克而设计的。
对一种粒子质量的预示为从事该项研究的实验工作者提供重要导向。质量规定了为产生这种粒子所必需的最低能量。到1982年，用带头搜寻的主要实验得到的数据所推测出的质量范围是令人遗憾的，顶夸克的质量范围超出了加速器的限度。如果顶夸克的质量小于20 GeV，可能已经发现了它。有的实验证据指明它的质量是在20~45 GeV的范围内；有的实验数据则否定这个范围。
1988年，寻找顶夸克的公开“竞赛”开始了。费米实验室应用CDF检测器建立起新的实验。CERN的物理学家再次用UA1和更小型的UA2检测器进行探寻。但到1990年还没有发现顶夸克。实验结果表明，顶夸克比开始预计的要重得很多，最低限现在是19 GeV。新近产生数以百万计Z粒子的实验结果，说明夸克和轻子只有3代，这使顶夸克成为唯一的尚待发现的夸克。
寻找顶夸克
物理学家谈论着发现基本粒子，但是许多基本粒子包括夸克实际上是观察不到的。所发现的夸克只是它同别的夸克和反夸克的结合态，叫强子。强子有两种构造：介子是1个夸克和1个反夸克的结合态，而重子（如质子）都是强子，它由3个夸克组成。于是寻找夸克就要通过强子碰撞来揭示它的结构并诱发新夸克的产生。这时才能通过它们的衰变径迹和它们直接形成的强子进行检测。例如，粲夸克是作为粲-反粲介子被发现的。
当搜寻顶夸克的工作在很低能量水平上开始时，按照常识，它可能在强子中被发现。但是实验证明，它是如此之重，它没有形成强子的时间。可用来形成强子的时间是在10-23秒之内，这种夸克已经衰变，留下轻子和较轻夸克与轻子的集合体。较轻夸克本身会形成束缚态。衰变链由理论所规定。一个顶夸克迅速衰变成一个W粒子和一个底夸克。接着W能衰变成轻夸克和一个反夸克或者一对轻子；底夸克能衰变成较轻夸克，较轻夸克又会衰变。
如果顶夸克处于一个可取的质量范围，对它的检测就要求巨大而精密的检测器，检测器能从数以10亿次计的额外碰撞中挑拣出这种衰变链的信号，它与强子和轻子的结合物有着微妙的差别。粒子可以有各种各样的动量，但是大部分粒子只带有质子总动量中的很小一部分；很小的点状粒子势必不能相遇，这使绝大部分夸克-反夸克的碰撞是在相对低能情况下交会于一闪。许多轻粒子的结合来自这些碰撞，它们不能产生重夸克。
顶夸克的信号会淹没在额外碰撞的广大背景之下，要验证顶夸克就要求发现若干这样的事件。为了使高能碰撞次数达到最大，采用了这样的方法：增加质子束和反质子束的强度以增加高能碰撞次数；另外，让粒子束聚焦于很小的截面上使高能碰撞几率得到增大。夸克和反夸克带着一份很大的质子-反质子动量相碰而形成非常密集的能量袋，从这样的袋里可能放出顶夸克来。虽然这是很少见的。
今年5月在费米实验室应用Tevatron对撞器重新开始做两个不同的实验来搜寻顶夸克，碰撞之后检测到什么？高能夸克的衰变产物典型地呈现为高能强子的紧密直线射流，称为喷注，喷注的方向和能量提供了必要的资料以推测射出夸克的能量和方向。在高能夸克衰变时也能检测到μ介子和电子。
这些大而重的检测器的最关键的功能是它们能找出带电粒子。电子、μ介子和喷注都以它们的轨迹留下带电粒子的有特色的信号。轨迹室包围着碰撞点，它是一个特殊的充气装置。当带电粒子从碰撞中逃逸而通过气体时，原子电离而留下一条小小的原子的离子化电子拖曳物。离子化电子可以检测得到，它是纪录在庞大线路阵列上的小小的电信号。信号被接连放大并数字化，然后储存在磁带上。带电粒子的动量大多用磁场来测量。粒子动量越大，受磁场折射越小。因此，轨迹曲率是对粒子动量的直接度量。
在轨迹室里电子呈现出高动量（直线）路径。光凭这一点还不足以辨认出电子的轨迹，但有一种叫热量计的装置可以对它作出明确的辨认。电磁热量计用材料薄片建成夹层。材料的原子核中有大量的质子。当电子通过第一片时，它和原子核的电场相互作用而产生一高能光子，光子接连与另一原子核相互作用而产生一个电-正子对，它再相互作用，依此类推。这种级联作用一直要继续到电子的全部能量在热量计内消耗殆尽。相同的原理用于建造强子热量计，它是用来辨认喷注的。密集物质的原子核在一次喷射中同强子相互作用，产生了强子簇射。簇射比电子更深、更宽。μ介子能够通过大量物质而不产生簇射，因而可以检测得到。中微子几乎不与任何物质相互作用，然而它从碰撞中带走大量的动量和能量，因而可以“观察”得到。
顶夸克在一次有若干级的级联簇射中会衰变；每一级都产生寿命更短（但可测到）的粒子。这些检测得到的短寿命粒子形成顶夸克衰变的一部分重要信号。包含着底夸克的强子在衰变前能通过近300微米的路径而产生喷注。与底夸克喷注相关的带电轨迹能检测到。用这个检测结果反过来推定一个点，它与开始的质子-反质子碰撞点不同，这个信号叫分离顶点。
碰撞区域有两种搜寻顶夸克的精密检测器：CDF和DO（D零）检测器，CDF在过去7年中运转了3年。由于它的磁场和顶点检测器的精确性，因而被认为是从大量额外碰撞产生的背景中萃取顶夸克信号的最有希望的仪器，然而顶点易受辐射侵害，它又非常靠近质子-反质子束，“迷航”的质子束会使之归于无用。DO的运行时间不长，今年5月才开始收集实际事件的数据。然而它的热量计和μ介子检测器中已经有几个通道对于发现顶夸克的衰变物显得非常重要。
发现顶夸克
顶夸克产物的真正出现是在夸克-反夸克对中。对中的各成分是分别衰变的。如果顶夸克的行为确如标准模型所预示，那就会在大约10-24秒之内发生衰变。如前所述，第一步是衰变成一个W和一个底夸克。还可能有别的衰变模式，但在标准模型中被排除。每当W和底夸克产生时，W将依次衰变为几种终态中的某一种。可能的衰变情景产生三种突出的信号，这是捜寻顶夸克的基础。
第一种可能情景是，由顶夸克产生的W+和由反顶夸克产生的W-都衰变为轻子。检测器记录了2个分离顶点，每个底夸克产生一个；2个带电轻子，即一个电子和一个μ介子；还有同两个中微子相联系的失去的动量。由底夸克和反底夸克产物造成的背景可能使电子和μ介子的信号有些模糊（信号和噪音之比为10比1），但是与底夸克衰变相联系的分离顶点的检测能使综合信号更为清晰。
1988~1989年间CDF记录了一次事件：产生高动量的电子和μ介子，而且可能出现了顶夸克疾飞的闪光。不过，相同图像也可能来自背景过程。由于当时CDF没有顶点检测器，使分离出底夸克衰变的证据没有能建立起来。因此这次事件还不能作为顶夸克存在的证明。这说明，有些证据——尤其是W和底夸克衰变的证据必须一起出现以证明顶夸克的存在。由于有由这个首先期望的衰变链产生的2个未被测定的中微子，要完全重建衰变链是不可能的。再者，普遍认为顶夸克存在的首要的强烈暗示会来自产生两个带电轻子事件和失去动量的事件。
第二种可能情景是，当一个W衰变成带电轻子，而另一个衰变成一夸克对时会产生顶夸克的图像。人们预计看到4个喷注（4个夸克）中有2个有变位顶点（来自底夸克），还看到1个带电轻子和失去的动量。
同W粒子一起产生了夸克或胶子，这就出现广阔的背景，我们将从中发现顶夸克。为此可以找1个或2个与底夸克相联系的分离顶点，这样背景会缩减到五十分之一，而与顶夸克相关的事件则原封不动地保留下来。所以顶点的检测对于发现顶夸克是极端重要的。
顶夸克的这种可能图像中只有一个中微子带走动量，因此它的动量可以引用动量守恒来重建，从而可以测定顶夸克和反顶夸克的质量和运动。在第一种情景下这是不可能的，因为那里会产生出两个中微子。
最后还有一种模式，两种W粒子都衰变为夸克对。6种夸克的产生还来自通常的夸克-反夸克碰撞，速率大约是所预计的顶夸克和反顶夸克的600倍。这个背景是棘手的，这使应用这种图像来发现顶夸克希望不大。
有根据地证明顶夸克的存在要求重建衰变链。虽然做这件事有各种办法，但有一个步骤是必不可少的，就是用资料证明一个重要的量：“不变质量”。
当一重粒子衰变成较轻粒子时，较重粒子质能的一部分转换为动能，它在较轻粒子的运动中表现出来。事实上，衰变产物受到一个反冲力，使它们在各别方向上运动。一个叫张角的角将它们的轨道分开。用任何一组粒子的能量和角可以计算出不变质量。最简单的情形是一个粒子已衰变成两个粒子，把产物的质量和动量加起来就得到较重粒子的起始质量。
不变质量提供了一种从许多碰撞结果中筛选出一种特殊粒子衰变产物的统计方法。对于随机产物，在不变质量的计算中不会发现有意义的型式；但对于较重物体衰变产生的粒子 · 不变质量的分布应当是聚集在某一个值的附近，这个值与重粒子的质量一致。这个原理可以用来达到搜寻顶夸克衰变物的目的。
顶夸克、W粒子和希格斯粒子
一旦证实了顶夸克的存在，并且它的质量被尽可能精确地测定出来，物理学家就将在标准模型的框架内考查这些结果的意义；说明顶夸克的质量在弄清宇宙质量起源中的作用，时机趋于成熟。
前已提及，部分模型建议把4种力中的2种力——电磁力和弱力的创生统一起来，这要求有对称破缺的机制。应运而生的领先的候选物是希格斯机制，它提供了一种未经测试的关于质量起源的解释，在统一的弱电理论中，夸克质量、希格斯粒子和W与Z粒子之间有着紧密制约的数学关系、它们产生于这样的事实：W和Z粒子都能转化为夸克结合物，然后又重新结合成它们初始的等当物。这些过程叫环路。
每一环路图对应于一种数学描述，而弱电理论提供一种用环路帮助建立W和Z的质量的方法。这个理论给予每个粒子以假设的质量数，然后将这些数插入基于环路关系确立的方程之中，接着它对W和Z的质量进行校正。校正量按环路中夸克质量的平方度量。因此在前两种情况下顶夸克的大质量支配着校正量。在第三种环路图中，希格斯粒子在环路中与W和Z相互作用，也对它们的质量产生修正量，但是这些修正量是按希格斯质量的对数进行度量的，因此关系更为精密。
如果无保留地相信弱电理论，包括希格斯机制，那么就会按照这些关系作出预示，把顶夸克质量定在这样的地方：预计的希格斯质量的曲线区域与测量所得的W质量范围的中心的交点。交点接近140 GeV。同样，通行W质量的上限结合希格斯预示，把顶夸克的质量上限定在225 GeV。如果计划中的提高Tevation碰撞器的能量能够实现，那么下个10年会允许发现顶夸克的质量提高到250 GeV。这样我们就能够在实际得到的能量范围内进行过细的寻找 · 以检验标准模型预示的正确性。
到1999年，估计W质量的不确定度将减小到大约50 MeV。顶夸克和W质量相结合的测量结果可能在区域内或者区域外下降，这是希格斯预测所许可的；如果它是在允许的区域内，那么希格斯粒子质量的预测能根据理论作出，或者能用对希格斯粒子的直接观察加以证实；这样的观察可以在超导超级碰撞器中实现。
还存在另一种可能性：顶夸克不在预计区域内的任何地方出现，那么也许有必要作重大的反思：希格斯机制也许是不正确的，需要有某种别的机制来解释质量的产生；也许有某种尚未被发现的基本粒子或相互作用形式。搜寻顶夸克把我们置于一个新的重要的视界上，我们发现什么或者不发现什么，都将对下个世纪人类思考宇宙的方法产生重大的影响。
[American Scientist，1992年10月号]
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* 本文作者是费米实验室碰撞检测器（CDF）副主任，专门从事强相互作用的研究；最近，致力于搜寻顶夸克。