更新时间：2023-09-20 11:57
顶夸克（Top quark)，是物质组成中的基本粒子之一，也是最后发现的一种夸克。其质量为173.1±1.3GeV/c2，质子的质量不过938MeV，为已知最重的粒子。顶夸克属于费米子，具有1⁄2的自旋，带有+2⁄3电荷，根据标准模型的预测顶夸克的寿命仅为5×10-25s。1994年4月6日发现于美国费米实验室。
顶夸克（TopQuark）是物质组成中的第6种、也是最后一种夸克（Quark），1994年4月6日由美国费米实验室发现。这项物理学上的重大发现，证实粒子物理理论模型，也让科学家藉以了解顶夸克性质、了解大自然和物质的起源。但这项发现是不是会像发现质子、中子，对人类生活产生重大影响，仍有待观察。
夸克是比质子、中子更微小的物质组成基本粒子。在60年代以前，物理学界认为质子、中子是最小的物质组成粒子。
1963年美国物理学家默里·盖尔曼、兹维格提出物质组成的新理论，主张当时科学家所认知构成物质的最小粒子中子、质子等，是由更基本的粒子“夸克”所构成，并提出三种夸克，分别命名为上夸克、下夸克、奇夸克。
1963年后，科学家陆续发现第4、5种夸克，其中“夸克”是由华裔科学家丁肇中领导的研究群在1974年发现。3年后，李德曼领导的研究群又证实“底夸克”的存在。寻找最后一种夸克，是粒子物理学家努力的方向，只有证实顶夸克的存在，粒子物理学理论才能获得验证。
从20世纪70年代末，粒子物理学家就开始寻找顶夸克，美国费米国家实验室专门建立了超高能质子、反质子对撞机，其质心能量约为质子质量的1800多倍，直接用来探测顶夸克。在美国费米国家实验室的超高能对撞机上，建立了两个国际性合作的实验组CDF和DO，并独立地进行寻找顶夸克。仅CDF实验组的合作成员就有398人，来自加拿大、美国、中国、意大利和日本五个国家，其中美国国内的成员来自于14个州的34个机构，直到1994年初，CDF实验组首次观察到了顶夸克的直接证据。1995年初，CDF和DO两个实验组同时宣布，他们通过所谓的“单轻子道”和“双轻子道”的过程直接观察到了顶夸克的存在，并测量出了顶夸克的质量，结果它比同代的底夸克重30多倍。其质量是质子质量的180多倍，出乎人们最初的意料。
单顶夸克是顶夸克的一个罕见种类。2009年3月，费米实验室科学家宣布，他们在粒子对撞实验中观察到了单个顶夸克的产生。
顶夸克只是在强核力产生时才能观察到，这种相互作用可导致产生一对顶夸克。单顶夸克的产生涉及到弱核力，因此很难用实验进行证明。每200亿次质子—反质子碰撞中只有一次才能产生一个单顶夸克，而这些非常罕见的信号还很容易与那些发生几率高得多的其他“背景”进程相混淆。发现单顶夸克需要从很大的背景中提取一个极小的信号。单顶夸克信号和希格斯玻色子信号具有相同的背景，单顶夸克本身就是寻找希格斯玻色子的一个背景。
单顶夸克的发现证实了粒子物理学中包括夸克总数在内的一些重要参数，也是Tevatron计划的一个重要里程碑，高灵敏度和成功的分析是寻找希格斯粒子的重要一步。
根据CDF和DØ的估算，顶夸克的产生截面约为6.6Pb，由顶夸克衰变而来的W玻色子具有同其一致的偏振，因此这些玻色子可用于探测顶夸克。在标准模型的预测中，顶夸克所带的电荷为正2⁄3 e，DØ的数据研究表明其吻合的概率为90%。
质量为173.1±1.3GeV/c2，质子的质量也不过938MeV[。和其他夸克一样，顶夸克属于费米子，具有1⁄2的自旋，带有+2⁄3电荷。顶夸克的反粒子被称为反顶夸克，两者质量相同。
顶夸克通过强作用力同其他基本粒子相作用，通过弱力衰变为W玻色子和底夸克，有时也会衰变为奇夸克。顶夸克可以衰变为下夸克，但这种情况非常罕见。根据标准模型的预测顶夸克的寿命仅为5×10-25s不过顶夸克极短的寿命使得其来不及在强相互作用力的影响下形成强子，这给科学们提供了一个观测独立夸克的机会。顶夸克的存在在某种程度上也为日后发现希格斯子提供了理论上的可能性。
顶夸克衰变为底夸克的分支比约为0.99，在标准模型的预测下同|Vtb|2相当，这也从侧面验证了卡比博-小林-益川矩阵。标准模型也允许其他衰变的存在，例如发射出一个胶子或是Z玻色子之后，顶夸克可以衰变为自旋为+1/2的上夸克或是粲夸克。虽然标准模型预测在95%的置信度上发射胶子衰变的概率为千分之六，发射z波色子的概率为4%，然而尚未发现能够符合理论预测的证据。
当粒子（电子或质子）以极高的速度（接近光速）发生碰撞时，才有可能产生“夸克”这样的基本粒子。而且由于碰撞产生的夸克能量相当高，它很快就会衰变成其他物质。因此，只有在实验室中，以粒子加速器将电子或质子加速，并使它们在高速下发生碰撞，同时以极精密的仪器进行测量，才能推论出夸克的存在。经由实验观测与理论推算，科学家认为夸克应该有6种。科学仪器的改进，帮助科学家发现其他的夸克。因为，粒子加速器能量不断提升，测量仪器功能不断改善，粒子碰撞瞬间的速度、能量愈大，测量仪器愈精密，也愈容易捕捉到瞬间即逝的信号，则产生新粒子的可能性愈高。
顶夸克的质量超过科学家的推测。顶夸克的质量大约是质子质量的200倍，依照相对论的质量与能量转换公式，以质子对撞方式产生顶夸克，必须使质子以极高的速度运动，速度愈快、能量愈高，碰撞的瞬间才能产生顶夸克。
费米实验室的加速器周长有6.3km，使用1000个超导磁铁，把质子与反质子加速到各具有九千亿电子伏特的能量后，进行对撞，平均要1兆次的对撞才可能观察到1次顶夸克。
顶夸克出现后，“随即”消失。实验显示，顶夸克出现后，便在1×10-24s（观察者还来不及眨眼的瞬间）衰变成其他粒子。
顶夸克的发现，完善了粒子物理标准模型，但它并不意味着粒子物理已大功告，相反，它标志着探索更基本理论的开始，如标准模型与引力的统一被认为是本世纪理论物理最重大的课题之一。
宇宙刚开始瞬间，只是基本粒子存在的状态，找齐6种夸克等基本粒子，将可以协助科学家回溯宇宙的初始阶段。因此，可以知道宇宙由过去到未来的演化历程。