大型強子對撞機可能發現全新粒子！有史以來最小強子「toponium」
頂夸克是目前已知最重基本粒子，它本身就是個奇妙物理系統，過去 30 年來各粒子加速器一直對頂夸克進行動量研究。近日，歐洲大型強子對撞機緊湊緲子線圈（CMS）實驗宣布，可能發現有史以來最小的假想強子，名為 toponium。
CERN 大型強子對撞機（LHC）由 4 個主要實驗探測器組成，分別為超環面儀器（ATLAS）、緊湊緲子線圈（CMS）、大型強子對撞機底夸克實驗（LHCb）、大型離子對撞機實驗（ALICE），這些年不斷推動粒子物理學研究進展。
粒子物理標準模型（Standard Model，SM）是描述宇宙基本粒子與 3 種基本力（電磁力、弱核力、強核力）的最佳框架，但它仍不是完整理論，因為它無法解釋暗物質、暗能量等現象，也缺乏對重力的解釋（重力目前主要由廣義相對論描述）。
夸克就是由標準模型解釋的一種基本粒子，目前已知夸克有 6 種「味」，其中頂夸克（top quark）是最重基本粒子，質量高達 173 GeV，透過強核力與其他基本粒子作用，透過弱力衰變為 W 玻色子與底夸克，有時衰變為奇夸克，衰變為下夸克非常罕見。
夸克互相結合則形成稱為「強子」的複合粒子，與另外 5 種夸克不同之處在於，質量巨大的頂夸克壽命極短，來不及在強核力作用下形成強子，在生成束縛態之前就已藉電弱交互作用衰變成其他粒子，因此頂夸克偶素並不存在，也代表頂夸克的誕生與衰變「不受」量子色動力學相互作用影響。
註：夸克偶素（Quarkonium）指一種夸克與其反夸克組成的無味介子。
▲ 緊湊緲子線圈（CMS）實驗可能發現最小複合粒子。
然而，科學家相信某些超出標準模型的未知粒子能與頂夸克相互作用，比如科學家預測應該存在一種假想強子 toponium，由一對頂夸克-反頂夸克短暫結合而成，只是因壽命極短，儀器一直未能探測，大型強子對撞機出動都無果。
現在，頂夸克再度展現它的特殊地位。分析大型強子對撞機緊湊緲子線圈（CMS）實驗於 2016～2018 年收集的大量數據後，研究人員宣布可能檢測到全新粒子，分析表明身分為 toponium 的可能性極高！
若後續得到證實，toponium 將是有史以來發現的最小強子，開啟全新研究領域，但單一實驗難以驗證 toponium，因此無法排除其他解釋，CMS 的姐妹實驗 Atlas 將進一步審查結果。
（首圖為示意圖，來源：pixabay）