夸克之内,别有洞天

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​1869年,门捷列夫(Dmitri Mendeleev)发现化学元素的性质有一定的重复模式,因此创立了元素周期表。物理学家后来认为,这种重复模式源自原子的结构。今天在粒子物理学中,或许也会出现相同的状况。

夸克之内,别有洞天

目前已知的 12 种基本粒子也有重复模式,因此可能并非真正基本,而是包含更小的粒子。物理学家暂时将这种粒子称为“前子”(Preon)。

但是,其他证据并不支持这种可能性。欧洲核子研究组织(CERN)的大强子对撞机(LHC)和一些其他的实验,或许可以解决这个问题。

宇宙是个既复杂又难以理解的地方。我们在空气中行动自如,但没办法穿墙而过。太阳将一种元素转变成另一种元素,让地球沐浴在温暖和光亮之中。

无线电波可以将人类的声音从月球表面送往地球,γ 射线却可能对我们的 DNA 造成无法复原的损害。从表面上看来,这些现象之间似乎互不相干,但是物理学家发现了若干原理,再整合成极度简洁的理论,能够解释包含这些在内的许多现象。这项理论称为粒子物理学的“标准模型”,涵盖了使墙壁形成固体的电磁力、使太阳放射出光和热的核力,以及现代通讯赖以运作和可能威胁人类健康的各种光波。

标准模型是史上发展得最成功的一项理论。本质上,这个模型假设无法再加以分割的物质粒子有两种,分别是夸克和轻子。不同种类的夸克构成了质子和中子,最常见的轻子则是电子。适当比例的夸克和轻子可构成各种原子,再进一步构成宇宙中的各种物质。这些构成物质的粒子由四种力结合在一起,分别是大众相当熟悉的重力和电磁力,以及较不熟悉的强核力及弱核力。电磁力与强、弱核力是通过交换“玻色子”来传递,但由微观角度来解释重力的各种尝试,至今尚未成功。

标准模型还有其他问题无法解答,例如:力为什么有四种,而不是三种或五种?基本粒子为什么分成两类,而不能以单一类别涵盖全部的粒子?

这些问题都相当引人好奇,然而长久以来,另一个谜团一直吸引着我和许多物理学家的注意。标准模型把夸克和轻子视为不可分割的粒子,但令人惊讶的是,有许多迹象显示,它们可能是由更小的粒子所构成。如果夸克和轻子不是最基本的粒子,而且更小的粒子确实存在,我们势必得大幅修改我们的理论。拉塞福(Ernest Rutherford)于 1911 年发现原子结构之前,核能对人类而言难以想像,同样地,进一步深入探索次原子世界,一定也会揭露我们目前想象不到的现象。

科学家要解决这个问题,必须让粒子以极高的能量相撞。从 1970 年代开始观察夸克以来,我们一直缺乏能够一窥夸克内部的工具。但现在,欧洲核子研究组织(CERN)的大强子对撞机(LHC)正在加速运转,将可协助我们完成这项任务。LHC 已经发现重要的证据,证明标准模型中最后一个尚未找到的粒子——希格斯玻色子确实存在。

世代差异

夸克和轻子具有内部结构的初步线索,来自探讨另一个未解难题时的研究,这个难题与已知的各种夸克及轻子数目有关。质子和中子由“上夸克”和“下夸克”这两种夸克构成,上夸克具有质子的 +2/3 单位电荷,下夸克则具有质子的 -1/3 单位电荷。虽然只要有这两种夸克和电子,就足以构成宇宙中所有物质,我们仍观察到有其他夸克存在。奇夸克的电荷和下夸克相同,但质量较大,底夸克的质量则比奇夸克更大。同样地,魅夸克的质量大于上夸克,而质量特大的顶夸克则是夸克家族的最后一个成员。粒子物理学家已经观察到这些夸克,但较重的四种夸克会在几分之一秒内衰变成较轻的两种。

电子也有质量较大但较不稳定的表亲,分别是 μ 子和质量更大的 τ 子,其拥有的电荷与电子相同。目前已知的粒子中共有三种微中子,这三种微中子的质量极小,而且都是电中性。

粒子家族如此枝繁叶茂,物理学家自然有了一个疑问:既然只需要上夸克、下夸克和电子就能构成整个宇宙,它们为什么还有那么多表亲?正如曾获诺贝尔奖的物理学家拉比(I. I. Rabi)发现 μ 子时的名言:“是谁下令这么做的?”

科学家着手破解粒子家族成员众多之谜的方法之一是画出表格,说明各种已知基本粒子的特性,方法类似元素周期表。周期表让物理学家想到,化学元素可能不是最基本的物质单位。某一行或列中的元素具有类似性质,可能是因为原子内部结构具有某种规律。

夸克之内,别有洞天

夸克和轻子表共有三行,称为三个“世代”(因此粒子数目众多之谜现在称为“世代问题”)。最左边的第一代包括上、下夸克,以及电子和电子微中子,也就是构成我们熟知宇宙的所有粒子。第二代包括前一代粒子质量较大的表亲,第三代则是质量最大的表亲。

标准模型把夸克和轻子视为点状粒子,没有内部结构。但这个表的模式与化学周期表如出一辙,让人联想到世代间的差异可能源自夸克和轻子内部组成单位的组态不同。

20 世纪初还有一项可能与寻找夸克内部结构有关的历史事件,就是发现放射性衰变。一种元素经由当时还不了解的某种过程,变化成另一种元素。现在我们知道,改变原子核中的质子和中子数目,就可能达成中世纪炼金术士的目标,将不值钱的铅变成黄金。可能发生的变化其实范围更大,因为只要改变内部的组成夸克种类,核子炼金术甚至能将中子变成质子。这种变化是透过弱核力进行。弱核力也可改变轻子,但夸克不可能变成轻子,反之亦然。一种元素能够转变成另一种元素,代表原子内部有复杂的活动,夸克和轻子的变化可能也告诉我们,这些粒子内部具有更微小的结构……

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