Fermilab登載臺大物理國際團隊傑出研究「Searching for a fourth generation..尋找第四代夸克」

編按：美國能源部所屬國家實驗室費米國立加速器實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory，縮寫為Fermilab或FNAL），於最近一期的《fermilab today》http://www.fnal.gov/pub/today/archive_2011/today11-03-11.html標題為「Searching for a fourth generation，尋找第四代夸克」一文中，推崇本校物理學者及其國際團隊表現傑出，並刊出NTU團隊物理系張育瑋、陳凱風、高凱逸、雷永吉、呂榮祥、曾衍銘等6位臺大成員。

該文指出，雖然目前還沒有任何第四代夸克存在的跡象，但依然展現了臺大團隊快速解析複雜衰變的能耐，...就是這些物理學家們完成此一充滿挑戰的研究..。為饗臺大校訊讀者，特委請物理系陳凱風副教授轉譯全文如下：

近幾年來，各地的粒子對撞機做了許多實驗，其中最引人矚目的研究是在歐洲核子研究委員會(CERN)主持的大型電子正子對撞機(LEP)。經由掃描入射粒子束的質心能量，物理學家們研究Z玻色子的生成，並與理論預測曲線比較。

理論預測曲線包含了Z玻色子衰變成2~4種微中子的可能性。實驗結果顯示了Z玻色子只能恰好衰變成三種不同的微中子。

物理學家們已知世上至少有三種微中子，各自對應到不同的帶電荷的輕子和兩種夸克，這樣一組粒子稱為一個世代。第一代由電子、電子微中子、上夸克(up quark)與下夸克(down quark)組成；第二代是緲子(muon)、緲子微中子、魅夸克(charm quark)和奇夸克(strange quark)；第三代則是陶子(tau)、陶子微中子、頂夸克(top quark)及底夸克(bottom quark)。只存在三種微中子暗指僅有三個世代。

更深入鑽研，其實研究資料僅能證明Z玻色子衰變出三種幾乎無質量的微中子。然而夸克的質量卻有著極大差異（如頂夸克質量約為上夸克的十萬倍），因此就算出現了很重的微中子，成為第四世代基本粒子之一，也不會令人感到意外。

找到更重的粒子便是確認第四代是否存在的唯一方法。這些新夸克們還沒有很炫的名字，只是單純摹仿頂夸克和底夸克的命名，暫時稱呼為t'夸克和b'夸克。 CMS團隊的物理學家們正致力於尋找b'夸克。

依照前三世代夸克的衰變模式，猜想b'夸克將會衰變成頂夸克跟W玻色子，其中頂夸克又會進一步衰變出底夸克和另一個W玻色子。又因為b'夸克和反b'夸克會同時產生，所以生成的粒子數目會加倍，也就是兩個底夸克跟四個W玻色子----這就是物理學家們要找的事件。

分析2010年取得的粒子對撞數據後（這和2011年預計的資料量相比，只是九牛一毛），目前還沒有任何第四代夸克存在跡象。雖然如此，這項研究依然展現了CMS團隊快速解析複雜衰變的能耐。

在送交期刊前作密集的檢閱，是近代大型國際合作團隊的強項。此分析報告，由美國和臺大物理學家團隊攜手完成。

報告先送交”分析評論委員會”(Analysis Review Committee)審閱，再進一步送到其他上千名CMS共同研究者與物理研究協調人手中。只有通過所有檢查，才能送交期刊。

Fermilab實驗室成立於1967年，原名為「國立加速器實驗室」，主要研究領域為高能物理學、粒子物理學。主要目標為探討傑出的科學、藝術等。1974年為紀念美國物理學家恩里科·費米而更名為「費米國立加速器實驗室」。費米實驗室擁有世界上目前運行能量第二的質子-反質子對撞機Tevatron（980GeV×980GeV），附屬兩大探測器CDF和D∅。2008年9月歐洲粒子物理研究中心建成的大型強子對撞器，可產生七倍於費米實驗室記錄的能量。1995年3月2日，費米實驗室宣布在Tevatron上發現了第六種夸克——頂夸克而聞名全球。