不同的化学元素都由相同的构建块组成：一个紧凑的“原子核”，由相似数量的质子和中子组成，周围环绕着一团绕轨道运行的电子。每种化学元素都有一个特征电子数，等于其原子核中的质子数。电子的数量和允许的排列(受量子力学定律支配)决定了元素的所有化学性质;无论是稳定的还是反应性的，酸性的还是碱性的，金属的还是非金属的等等。元素周期表的丰富结构可以用电子、质子和中子的基本构件以及它们相互作用和组合在一起的方式来解释。
第二次世界大战后，越来越强大的粒子加速器允许质子或电子被提升到高能量并撞击致密的物质目标，或者在随后的正面碰撞中撞击其他加速粒子。这种碰撞产生的碎片不仅包括熟悉的质子、中子和电子，而且还包括一个不断扩大的更重、更奇特的粒子(统称为“强子”)的“动物园”，这些粒子会转瞬即逝，然后迅速衰变成更轻、更熟悉的粒子粒子。就像在门捷列夫的元素周期表中一样，这些粒子可以根据它们的特性排列成有趣的模式，这些模式起源于一个叫做“群论”的数学分支。
在 1960 年代，物理学家提出强子实际上是由两个或三个基本成分的组合组成，他们称之为“夸克”。
在 1960 年代，物理学家默里·盖尔曼和乔治·茨威格提出，这些粒子中的大多数实际上是由两种或三种基本成分的组合组成的，他们称之为“夸克”(发音与“马克”或“约克”押韵) )。大多数强子可以解释为只有两个夸克的组合，称为“上”和“下”，而一类具有异常长寿命的所谓“奇怪”强子可以通过假设第三个“奇”夸克来适应模型。很快，第四个“粲”夸克被提出，为描述弱相互作用(放射性衰变的基础理论)中的一些问题提供了一个优雅的解决方案。
与此同时，美国加利福尼亚州斯坦福线性加速器中心的实验人员正在将高能加速电子与静止质子碰撞，并测量电子从碰撞中出来的角度。这些表明质子不是一个没有特征的固体物体，而是表现得好像它包含三个硬点状成分，正如在夸克模型中所预期的那样。随后的实验证实了这一图景：质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成，其他强子都是由其他夸克组合以及它们的反物质伙伴反夸克组成的)。在过去的几年里，物理学家还发现了包含四个甚至五个夸克的强子的证据。
但是会不会有更多的夸克?1977 年，美国芝加哥附近的费米国家加速器实验室 (Fermilab) 在质子核碰撞中发现了一种新的重强子后，人们推断出了第五种夸克，称为“底”或“美”(b) 夸克。夸克模型要求夸克成对出现，从而产生三个“世代”，每个“世代”有两个夸克：向上和向下;奇异而迷人;最后，底部和顶部——完成这对夸克的第六个夸克。有趣的是，此时电子还拥有两个更重的表亲——μ 子和 tau——它们与中微子一起形成了第三代轻子，这是另一个粒子家族。第六夸克的动机似乎令人信服。但是在哪里可以找到这个夸克呢?
寻找顶夸克
粒子的基本特征之一是它的质量，它不仅决定了它的重量(重力作用下的重量)，还决定了它加速的难度。例如，汽车比自行车更难用手推动。爱因斯坦著名的方程 E=mc 2告诉我们质量 m 和能量 E 成正比(与光速 c 的平方有关)。这意味着重粒子比轻粒子需要更多的能量来创造。粒子物理学家使用这种关系以“电子伏特”来测量粒子质量，其中 1 电子伏特是电子在 1 伏特电场加速时获得的能量。这是一个极小的单位，质子的质量约为1吉电子伏特，即10亿电子伏特或简称1GeV，相当于1.8x10 -27 kg。
在这些单位中，上夸克、下夸克和奇夸克的质量小于 0.1 GeV;粲夸克，1.3 GeV;和底夸克，4.2 GeV。因此，很自然地假设顶夸克符合这个序列——质量可能为 10 到 20 GeV。当然，在发现底夸克之后，顶夸克将“指日可待”。
随着每一个新的、更强大的粒子加速器或对撞机开始工作，物理学家希望它有足够的能量来发现顶夸克。但是没有看到令人信服的迹象，1990 年代初期费米实验室 Tevatron 质子-反质子对撞机的 CDF 和 D0 实验的第一批数据表明，如果顶夸克存在，其质量必须超过 100 GeV。在大西洋的另一边，欧洲核子研究中心位于瑞士日内瓦的大型正负电子对撞机 (LEP) 的实验人员正在通过精确测量 Z 玻色子(一种与电弱相互作用相关的基本粒子)的衰变间接探测顶夸克。 ) 分为不同类型的夸克和反夸克。由于能量守恒，质量约为 90 GeV 的 Z 玻色子，如果顶夸克(和顶反夸克)质量大于 45 GeV，则不会重到足以衰变成顶夸克-反夸克对。尽管如此，Z 玻色子衰变成其他类型夸克的相对比例可能会受到甚至衰变成顶夸克的可能性的微妙影响，LEP 的测量表明顶夸克质量应该在 150 到 200 GeV 之间。但它真的存在吗?
随着每一个新的、更强大的粒子加速器或对撞机开始工作，物理学家希望它有足够的能量来发现顶夸克。但没有看到令人信服的暗示。
在粒子对撞机中，高能质子和反质子之间的碰撞可以理解为两个相对的夸克或反夸克“袋”之间的碰撞，即(反)质子的组成部分。被加速的质子的总能量由三个夸克共享，一部分也流向了胶子，质子中的其他粒子代表了将三个夸克结合在一起的力。物理学家预计，在 Tevatron 的 1.8 TeV(1800 GeV)碰撞中产生顶夸克的最可能方法是通过质子夸克和反质子反夸克正面碰撞，产生顶夸克和相应的顶反夸克(a '顶对')。再次，由于能量守恒，这个过程需要初始夸克和反夸克的能量至少是顶夸克质量的两倍——这超过了它们母质子能量的公平份额。这是不太可能的，如果顶夸克很重，顶对的产生会变得更加罕见。
在 1990 年代初期，CDF 和 D0 实验开始积累在其数据样本中产生顶反顶对的证据。他们终于在 1995 年宣布联合发现了顶夸克，测量其质量约为 180 GeV。这比最初的预期大 10 倍左右，但与 LEP 的指示一致。在接下来的 16 年里，这两个实验记录和研究了数以万计的顶夸克事件，这使物理学家能够建立这种新粒子的第一幅画像。在他们看来，它的行为就像底夸克的伙伴所期望的那样——但为什么它这么重?
顶夸克来到欧洲
当欧洲核子研究中心的大型强子对撞机 (LHC) 在 2010 年春季以最初的 7 TeV 碰撞能量开启时，第一眼看到顶夸克是许多 ATLAS 物理学家的愿望清单。由于碰撞能量大得多，LHC 顶反顶对的产生主要由两个碰撞质子产生的胶子碰撞决定，其碰撞速率远高于 Tevatron。
顶夸克不是一个稳定的粒子。而不是与其他夸克合作形成强子，这个过程需要几个 10 -24秒，它在 10 -25内衰变秒到 W 玻色子和底夸克。W 玻色子依次衰变成夸克-反夸克对(通常是上夸克-下夸克对或粲夸克-奇异夸克对)，这些夸克产生准直喷流或“喷流”，粒子在探测器中大致朝着同一方向前进。或者，W 玻色子可能衰变成一个轻子(例如一个电子或μ 子)加上一个中微子。中微子穿过 ATLAS 探测器并在未被探测到的情况下逃逸，一旦所有探测到的粒子都被计算在内，碰撞事件中就会出现能量不平衡。b-夸克也会产生一个粒子射流，但其中包含一个由 b-夸克和一个较轻的反夸克组成的强子，它在衰减前在探测器中传播几毫米。来自这种衰变的带电粒子轨迹可以在 ATLAS 中精确重建，并区别于来自碰撞点的其他粒子。这允许喷流被“b 标记”为可能是由 b 夸克产生的。两个顶夸克产生两个 W 玻色子和两个 b 夸克喷流，ATLAS 探测器中顶对产生的特征非常壮观。它还为探测器以及记录数据的处理、校准和重建提供了极好的“计算”。
LHC 起初积累数据的速度很慢，但到 2010 年夏天，ATLAS 和 CMS 的合作都能够报告对欧洲顶夸克生产的首次观测。LHC 计划的这一里程碑为仅仅两年后发现更加难以捉摸的希格斯玻色子奠定了基础。图 1 显示了 ATLAS 中记录的第一批顶对事件之一，顶夸克衰变为电子、μ 子、缺少能量指示中微子和 b 标记的喷流。
LHC 对顶夸克的首次观测为仅仅两年后发现更加难以捉摸的希格斯玻色子奠定了基础。
随着 LHC 积累的数据越来越多，碰撞能量在 2012 年增加到 8 TeV，2015 年增加到 13 TeV，ATLAS 和 CMS 实验记录了越来越多的顶夸克样本，从而可以对其进行更详细的研究。主要测量之一是“横截面”，即在给定数量的质子 - 质子碰撞下产生顶夸克对的速率。这种测量在概念上很简单：计算检测器中看到的“类似顶部”事件的数量;估计并减去其他非顶级粒子产生过程中预期的事件数量，从而产生类似的事件特征;然后校正错过的顶对事件的估计分数。
实际上，需要多年艰苦的工作才能充分理解数据和更正，以进行只有几个百分点的不确定性的测量。计算我们期望的事件数量也是一项艰巨的挑战，需要了解质子内部夸克和胶子的确切混合物(源自许多以前的实验)，以及特定能量的夸克和胶子实际相互作用并产生顶反顶对的概率。这项工作的结果如图 2 所示：在迄今为止研究的质子 - 质子碰撞能量(用 √s 表示)的整个范围内，顶反顶夸克对的产生频率与理论所说的完全一样，在百分之几的不确定性。到目前为止，这个神秘粒子的行为与 b 夸克的一个非常重的伙伴所预期的一样。
称重顶夸克
确定不稳定粒子质量的常用方法是测量它衰变成的粒子的能量和方向。由于衰变过程中能量守恒，因此锁定在粒子质量中的能量会重新出现在衰变产物的质量中。当衰变产物从初始衰变点飞离时，任何多余的能量都会转化为衰变产物的运动(即它们的动能)。例如，这适用于将 Z 玻色子衰变成两个电子或 μ 子，其能量和方向可以在 ATLAS 探测器中精确测量。我们记录和分析的 Z 玻色子衰变越多，我们就能越精确地确定它的质量。
然而，顶夸克衰变成 W 玻色子和 b 夸克，两者都不是稳定粒子。b 夸克产生平行粒子射流，如果 W 玻色子衰变成夸克-反夸克对，就会产生两个这样的射流。通过在探测器中测量这些粒子喷射的能量和方向，可以推断出每个原始夸克的能量和方向。通过对来自 W 玻色子的夸克和反夸克以及来自顶衰变的原始 b 夸克这样做，可以计算顶夸克的质量。
但是如果 W 玻色子衰变成一个轻子(例如一个电子或 μ 子)和一个中微子，事情就有点复杂了。轻子可以被精确测量，但中微子从 ATLAS 探测器中逃脱而没有留下任何痕迹，因此它的能量和方向只能从事件其余部分的“不平衡”中猜测。由于每个事件中都有两个衰变的顶夸克，因此还需要确定哪些粒子射流和轻子属于哪个顶夸克衰变——弄错了，顶质量的错误值，通常与真实值相差甚远，获得。
将这种技术应用于 ATLAS 在 2012 年记录的大约 40,000 个顶对事件的结果如图 3(左)所示。分布的峰值在 160 GeV 左右，但它相当广泛，许多事件显示顶夸克质量低于 150 GeV 或高于 170 GeV。这主要是因为射流的测量是一个不精确的过程——一个真正能量为 50 GeV 的夸克可能会产生一个被错误测量为具有 40 或 60 GeV 能量的射流。但是这些影响在许多事件中都是平均的。图 3 中的右图说明了假设来自每个事件中 W 玻色子衰变的夸克的重建质量;此处的峰值接近 80 GeV，并且由于 W 玻色子的质量从其他测量中已知精确为 80.4 GeV，
该分析的最终结果给出了 172.1 ± 0.9 GeV 的顶夸克质量值。这比图 3(左)中的明显峰值位置高约 12 GeV，显示了扭曲质量分布形状的所有影响的重要性，例如不完美的射流分辨率和错误分配的射流顶夸克或 W 玻色子衰变。物理学家依靠理论模型和计算机模拟来预测这些影响，而这些模型由于我们对顶夸克衰变时实际发生的情况缺乏了解而受到限制。
大多数夸克都被限制在强子中，要么是三个，要么是三个。使它们结合在一起的力是强核力，它与作用在带电粒子上的电磁力有一些相似之处(相反的电荷相吸，如电荷相斥)。强核力的类似电荷被称为“颜色”，它不是一种而是三种：红色、绿色和蓝色(尽管这与“颜色”的日常含义无关)。强子必须是“无色的”，这意味着它们的组成夸克的色荷必须平衡，例如红色+反红色，或红色、绿色和蓝色。
当一个高能夸克(比如一个红色的)转变为一束无色的强子(没有整体颜色)时，原来的红色必须被另一个有色夸克或其他地方的夸克“中和”。这种“颜色交换”过程，也意味着动量和能量的交换，在理论上并没有得到很好的理解，并且对顶夸克衰变有影响。顶夸克在衰变之前会与其他夸克交换颜色吗?它是否将颜色传递给衰变过程中产生的 b 夸克，“多余”的颜色去了哪里?经过所有这些颜色的洗牌，ATLAS 探测器中重建的顶夸克质量会发生什么变化?估计范围从可以忽略不计的变化到大约 1 GeV 的偏移——比我们现在可以通过实验测量质量的精度更高。
探索这些问题的一种方法是用其他方式测量顶夸克质量——这种方式不那么依赖衰变产物的分析，并且更容易在理论上与夸克质量的“干净”定义相关联。例如，图 2 中顶对产生截面的预测取决于顶夸克质量——它越重，产生的频率就越低。改变预测中假设的顶夸克质量超过 2 GeV 会破坏预测和测量之间的一致性。
LHC 产生的顶夸克的动量分布，或它们衰变中的轻子，也取决于质量。存在几种这样的间接测量，它们通常与迄今为止使用顶夸克衰变产物进行的所有 ATLAS 测量获得的平均值 172.7±0.5 GeV 一致。然而，迄今为止进行的间接测量的不确定性在 1 到 2 GeV 的水平，太大而无法清楚地看到基于衰变产物的测量中可能存在的 1 GeV 或更少的可能影响。
为什么这很重要?自从 2012 年在大型强子对撞机中发现希格斯玻色子并随后对其质量进行精确测量以来，粒子物理学理论基础(标准模型)的强大新“一致性测试”成为可能。特别是，对顶夸克和希格斯玻色子质量的精确测量可以揭示极高能量尺度下的粒子相互作用，远远超出我们希望用地球上的粒子加速器探测的范围。如果顶夸克相对于希格斯玻色子来说太重，标准模型就会崩溃——它甚至会表明整个宇宙处于不稳定状态，使得它在大爆炸以来的 140 亿年中幸存下来是难以置信的。根据目前对顶夸克质量的测量，宇宙可能被认为处于“刀刃”上。
但由于我们都还在这里，重顶夸克可能意味着标准模型是不完整的——我们还没有了解关于基本粒子及其相互作用的所有知识。如果顶夸克稍微轻一点，也许标准模型就足够了，尽管问题仍然是为什么我们如此接近边缘。更精确、更好理解的顶夸克质量测量可以告诉我们我们是否真的处于这种有趣的境地。
顶上一切
顶夸克是特殊的，还是“只是另一个夸克”?与其他夸克(均小于 5 GeV)相比，它的巨大质量约为 173 GeV，也使其高于电弱 W 和 Z 玻色子(分别为 80.4 GeV 和 91.2 GeV)和希格斯玻色子(125 GeV)的质量. 如果顶夸克只是一个夸克，标准模型可以准确地预测它应该如何与这些玻色子相互作用。如果顶夸克是别的东西——也许与电弱玻色子或希格斯玻色子的联系更紧密——它可能会以不同的方式与它们相互作用。这些相互作用的主要特征是产生具有顶对和希格斯玻色子或 Z 玻色子的事件，从而在探测器中产生壮观而复杂的特征。这些事件的横截面，以及产生的玻色子的动量分布等特征，
ATLAS 利用 2015 年至 2018 年 LHC 运行 2 期间收集的大数据样本，开始对这些过程进行测量。由于来自顶夸克的 W 玻色子可以以多种方式衰变(变成夸克-反夸克对、电子、介子或 taus)，而 Z 和希格斯 (H) 玻色子也可以以多种不同的方式衰变，因此存在过多此类事件的实验特征。它们通常具有两个、三个或四个电子或 μ 子，以及来自顶部衰变中的 b 夸克等多个喷流。然而，top-pair + Z/H 事件的产生率很小，其他类型的事件可以产生类似的特征。例如，W 玻色子衰变成电子或 μ 子的顶对 + W 事件，或某些其他粒子被错误地识别为电子或 μ 子的事件。
图 4 显示了对顶对 + 希格斯产生的一次搜索，分析了希格斯玻色子和顶夸克到轻子的衰变。结果以μ表示的“信号强度”表示，μ是测得的生产率与标准模型中预期的生产率之间的比率。值 1 表示测量值与标准模型预测之间完全一致，而值 0 表示没有看到此类事件。对于这个分析，在所有探索的衰减特征上平均的最终 μ 值是 μ=0.58 +0.36 -0.33。这是一个“玻璃半满”值——与标准模型速率下的顶对 + Higgs 生产兼容，或者根本不兼容。作为副产品，该分析还测量了 top-pair + W 生成的速率，发现结果比预期高约 40%，与早期对 ATLAS Run-2 数据集的一小部分进行的专用测量一致，并反映了困难明确区分可能来自顶对 + H 和顶对 + W 过程的事件。
另一种策略是利用希格斯玻色子罕见但非常显着的衰变到两个光子(电磁相互作用的无质量玻色子)。在此分析中，选择了具有两个光子和与顶对产生一致的附加粒子的事件，并研究了两个光子的质量分布，如图 5 所示。上图显示了一个凸起，其中质量为双光子系统接近 125 GeV，即希格斯玻色子的质量。产生相同最终状态的其他过程的贡献不应有任何此类颠簸，并且可以用平滑曲线建模。减去这些背景过程(下图)后，顶对 + Higgs 产生的贡献很明显，尽管只是少数几个事件。此分析的信号强度 是 μ=0.92 + 0.27 -0.24，符合标准模型对统一的期望，并强烈表明顶夸克和希格斯玻色子确实与预期强度相互作用。
顶对 + Z 事件的产生在某种程度上更容易观察，这要归功于 Z 玻色子明显衰减为两个电子或两个 μ 子，可以有效地重建，而与其他过程混淆的可能性很小。借助完整的 Run-2 数据集，ATLAS 物理学家已经分离出足够多的顶对 + Z 事件，不仅可以测量速率，还可以研究 Z 玻色子的动量分布，如图 6 所示。事件的最大部分具有 Z -玻色子动量值 (p T Z ) 大约为 100 GeV，并且事件的总体速率和 p T Z分布的形状都被理论预测很好地再现了。
因此，至少对于顶对 + Z 事件，标准模型似乎正在获胜。但是，将需要来自 LHC 运行 3 的更多数据(定于 2022 年开始)来完成图片，尤其是顶对 + 希格斯和顶对 + W 玻色子过程。
就我们所见，顶夸克看起来像夸克，像夸克一样游动。然而，它不符合模式。
在等待更多数据的同时，物理学家也在努力从我们拥有的测量中获取尽可能多的信息。标准模型提供了一组关于顶夸克、W、Z 和希格斯玻色子在高能下应该如何表现的明确预测——但是还有很多替代方案涉及额外假设粒子或相互作用的影响。有效场理论提供了一种优雅的数学方法，而不是对它们全部进行测试。该技术考虑了所有可能的修改，例如符合基本物理原理的顶夸克和玻色子之间的耦合。新耦合的变化方式使得它们在低能量下没有影响(理论等同于标准模型)，但在较高能量下变得重要，
这些修改中的每一个的影响都可以通用计算，而无需知道可能引起它们的新粒子或相互作用的详细信息，从而提供可以与当前测量值进行比较的偏差库。有效场论还提供了一种以一致的方式处理来自不同粒子相互作用(例如此处讨论的 WW 散射)的数据的方法，从而可以 360 度全方位了解我们目前对最高能量粒子物理学的理解。物理学家现在正在将这些技术应用于涉及顶夸克的数据，随着 LHC Run 3 中的数据变得更加精确，结果应该会变得更加有趣。
迄今为止，在 LHC 上研究的涉及顶夸克的最罕见过程是同时产生两个顶夸克和两个顶反夸克，称为“四顶产生”。预计这将比顶级对生产少约 70,000 倍，但 ATLAS 和 CMS 最近使用其完整的 Run-2 数据集首次发现了此类事件的迹象。的ATLAS分析给出μ= 2.0 0.8 -0.6; 这大约是预期速率的两倍，但在不确定性范围内仍与标准模型预测兼容。许多提出超出标准模型的新粒子或相互作用的理论可能会导致这种增强。这可能只是即将到来的第一个诱人的兴奋暗示，但需要确切地知道 Run 3 数据。
在发现顶夸克 25 年后，我们现在对这种超重基本粒子有了很多了解。就我们所见，它看起来像夸克，像夸克一样游动，像夸克一样嘎嘎叫。然而 - 它不符合模式。它比所有其他夸克重得多，似乎更容易坐在粒子动物园电弱部分的重玻色子中。这是巧合吗?迄今为止，尝试理解模式一直是我们探索自然的强大技术，并为我们带来了元素周期表、我们对强子的理解等等。但是，当某些事情不符合这种模式时，这通常暗示有新事物潜伏在拐角处。我们还没有找到——但我们会继续寻找!
关于作者
理查德霍金斯在英国牛津获得博士学位，在成为欧洲核子研究中心的研究物理学家之前曾担任欧洲核子研究中心研究员和 DESY 研究员。他一直是 LEP 的 OPAL 合作和 LHC 的 ATLAS 合作的成员，他的工作重点是精确标准模型物理学，特别是涉及顶夸克。他在 ATLAS 上担任过各种协调角色，包括物理协调员和顶级工作组召集人。他现在共同领导 ATLAS 光度测量小组。
