톱쿼크Top Quark의 발견
입자물리학에서 알고 있는 지식의 대부분은 빠른 속도로 움직이는 입자 빔을 가속･충돌시켜 다른 물질을 만드는 입자가속기실험을 통해서 얻은 것이다. 고에너지입자충돌기high-energy particle collider에서는 가속시킨 입자 빔이 같은 식으로 가속된 반입자 빔과 말 그대로 정면충돌하는데, 이때 엄청난 에너지가 이 빔들이 충돌하는 작은 영역에서 발생한다. 이 에너지가 때때로 자연에서 쉽게 발견하기 어려운 무거운 입자로 바뀐다. 고에너지입자충돌기는 빅뱅 이후 가장 무거운 입자들이 생성되는 유일한 장소이다. 충돌기에서는 아인슈타인의 E=mc2에 따라 충분한 에너지만 있으면 원리적으로 어떤 종류의 입자-반입자쌍도 생성될 수 있다.
톱쿼크가 발견된 과정은 가속기로 입자를 찾아낸다는 것이 얼마나 어려운 일인지 보여준다. 톱쿼크는 원자의 구성요소도, 기존 물질의 일부도 아니지만 톱쿼크가 없다면 표준모형의 정합성이 깨지기 때문에 1970년 이후 대부분의 물리학자들은 톱쿼크의 존재를 믿고 있었다. 표준모형에서 두 번째로 무거운 입자인 보텀쿼크(양성자 질량의 5배)는 1977년에 발견되었다. 톱쿼크는 1995년에야 발견되었는데 이것의 질량은 양성자 질량의 거의 200배에 달했다.
톱쿼크를 만들어낸 충돌기는 미국 시카고에서 서쪽으로 40km 떨어진, 일리노아주 버테이비아Batavia에 있는 페르미연구소(1972년에 설립)의 테바트론Tevatron이다. 테바트론이란 가속기의 명칭은 양성자와 반양성자를 1테라전자볼트의 에너지로 가속시키기 때문에 붙여진 것이다. 1테라전자볼트는 1천기가전자볼트에 해당하며 이전의 어떤 가속기에서도 만들어내지 못한 최고의 에너지이다. 테바트론에서는 강력한 에너지를 띤 양성자, 반양성자의 빔이 고리모양으로 회전하면서 3.5마이크로초(백만분의 3.5초) 간격으로 두 곳의 충돌지점에서 부딪힌다. 두 실험 팀이 입자 빔과 반입자 빔의 충돌지점 두 곳에 탐지기를 설치하고 물리현상을 관측했다. 이 실험 중 하나에는 CDF(Collider Detecter at Fermilab, 페르미연구소 충돌탐지기), 다른 하나에는 D0(탐지기가 설치된 충돌지점을 뜻한다)라는 명칭이 붙여졌다. 1990년대 초반까지 두 실험 팀의 목표는 톱쿼크였다. 두 팀 모두 톱쿼크를 발견한 첫 번째 팀이 되기를 바랐다.
톱쿼크는 보텀쿼크와 W보존(약력을 매개하는 대전된 게이지보존)으로 붕괴한다. 그리고 W보존은 경입자나 쿼크로 붕괴한다. 그래서 톱쿼크를 발견하는 실험은 다른 쿼크나 경입자와 함께 있는 보텀쿼크를 찾는 일이 된다. 톱쿼크의 발견은 D0와 CDF 공동의 업적이었다.