宇宙是什么

17. 小林-益川理论：夸克至少有三代

  像这样，比第一代基本粒子“电子与电子中微子”质量更大的第二代基本粒子“μ子与μ子中微子”，便被发现了。

  在夸克的研究中，也出现了类似的情况。研究者从宇宙射线中发现了与下夸克性质几乎相同（除了质量更大以外）的新夸克，并将其命名为“奇夸克”。

  如此一来，“所有基本粒子都存在世代”的说法似乎应验了。当然，研究者也继续假设还存在与上夸克性质相同，但质量更大的夸克。

  不过，研究者一直没有找到这种假设中的新夸克。在使用加速器制造新粒子时，粒子的质量越大，所需要的电压也越高，因此这项研究非常困难。

  然而，在艰难寻找新夸克的时期，却有两位物理学家大胆提出了“夸克家族应该有三代以上”的预言。他们便是获得2008年诺贝尔物理学奖的小林诚和益川敏英。在第二代夸克尚未找全的情况下，他们却认为夸克还存在第三代。1973年，他们发表了相关论文，这让当时的很多物理学家震惊不已。由于这一预言过于超前，当时也有不少人认为他们两人的观点是无稽之谈。

  但是，就在论文发表的第二年，也就是1974年，研究者就发现了与上夸克对应的新夸克，并将其命名为“粲夸克”。物理学家们将这一重大发现称为“十一月革命”。我稍后会给大家介绍一部关于这次发现的电视剧。

  就这样，第二代基本粒子总算全部被发现了。到1975年，轮到第三代基本粒子登场了。研究者在这一年发现了性质与电子相同、质量比μ子大的“τ子”（陶子）。τ子也存在与之成对的中微子，这种中微子被命名为“τ子中微子”。

  如果电子有3个世代，那么夸克似乎也会有3个世代。在2008年诺贝尔物理学被揭晓之前，很多人可能并不知道小林-益川理论，但其实早在20世纪70年代后期，物理学界就已经出现了关于小林-益川理论能否被证明的研究热潮。

  一直到1977年，人类才首次发现第三代夸克。这种新夸克被命名为“底夸克”，其性质与下夸克相同，但质量比奇夸克大。底夸克被发现后，寻求所有第三代夸克只是时间问题了——只要不断提高加速器的能量，与上夸克、粲夸克对应的第三代夸克迟早会被找到。

  然而，寻找剩余的第三代夸克所花费的时间远远超出预期。虽然20世纪70年代不断有新粒子被发现，但到了20世纪80年代，便没有发现新粒子的消息了。日本的高能物理研究所也使用大型加速器启动了研究项目TRISTAN，可依然没有找到新夸克。在这一时期，小林和益川两人可能也会焦虑不安吧。

图2-8 夸克的3个世代

  不过，在1995年，也就是底夸克被发现的17年后，美国的费米国家加速器实验室终于确认发现了“顶夸克”。顶夸克的质量约为上夸克的5万倍，与金原子的质量相当。即使将顶夸克与同代的底夸克相比，其质量也是底夸克的近40倍。顶夸克的质量如此之大，所以寻找它才花费这么久的时间。随着加速器能量的不断提高，小林-益川理论关于基本粒子至少有3个世代的预言终于得到了验证。