夸克之內 別有洞天？！

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撰文／林肯（Don Lincoln）
翻译／甘錫安
提供／科学人（SA Taiwan）


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造成无法復原的损害。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。这项理论称為粒子物理学的「标準模型」，涵括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。

标準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，分别是大眾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、弱核力是透过交换「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。

标準模型还有其他问题无法解答，例如：力為什麼有四种，而不是三种或五种？基本粒子為什麼分成两类，而不能以单一类别涵括全部的粒子？

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著我和许多物理学家的注意。标準模型把夸克和轻子视為不可分割的粒子，但令人惊讶的是，有许多跡象显示，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）於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像不到的现象。

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日前已经发现重要的证据，证明标準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，魅夸克的质量大於上夸克，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，分别是緲子和质量更大的涛子，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，它们為什麼还有那麼多表亲？正如曾获诺贝尔奖的物理学家拉比（I. I. Rabi）发现緲子时的名言：「是谁下令这麼做的？」

科学家著手破解粒子家族成员眾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，方法类似元素週期表。週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，可能是因為原子内部结构具有某种规律。

夸克和轻子表共有三行，称為三个「世代」（因此粒子数目眾多之谜现在称為「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。

标準模型把夸克和轻子视為点状粒子，没有内部结构。但这个表的模式与化学週期表如出一辙，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歷史事件，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，因為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。

夸克和轻子的生命密码

关於夸克和轻子的组成单位，目前已有许多假设提出，每种假设的名称各不相同，不过「前子」（preon）已经是各种假设的通用名称。大多数状况下，这个名称是用来称呼传递作用於这些物质微点的力的粒子。

為了详细说明，我们来看看1979年由当时任职於美国史丹佛线性加速器中心的哈拉瑞（Haim Harari）和伊利诺大学香檳分校的舒普（Michael A. Shupe）分别提出，并於1981年由当时均在以色列魏兹曼科学研究所的哈拉瑞和学生赛伯格（Nathan Seiberg）加以扩充的模型（参见右方〈粒子製作手册〉）。他们假设前子有两种，一种具有+1/3单位电荷，另一种的电荷為0。此外，两种前子各有反物质粒子，电荷与其相反，分别是-1/3和0。这些前子是费米子（物质粒子），而夸克和轻子则由组合各不相同的三个前子构成。举例来说，两个+1/3单位电荷和一个0电荷的前子构成一个上夸克，而上夸克的反物质粒子则由两个-1/3单位电荷和一个0电荷的前子构成。另外，传递力的玻色子则由组合各不相同的六个前子组成。举例来说，带有正电荷、负责传递作用於夸克和轻子的弱核力的W玻色子，就是由三个+1/3前子和三个0前子组成。

哈拉瑞和舒普运用一连串合理假设，推测出第一代中所有粒子的前子组成内容。负责传递强核力，使夸克黏结在质子和中子内部的次原子粒子——胶子，以及其他传递力的玻色子，也是由这些组成单位构成。

眾所周知的夸克、轻子和玻色子的内部组成方式，在这些粒子与力之间形成无数的交互作用。前子确实可提供一种易於理解的语言，用来描述次原子过程。举例来说，假设一个上夸克和反物质下夸克相撞，產生带正电荷的W玻色子，再衰变成反电子（又称為正子）和一个电子微中子。在哈拉瑞和舒普提出的前子模型中，每个夸克包含三个前子，在碰撞中结合，產生一个W玻色子，因此每个W玻色子包含三个+1/3单位电荷和三个0电荷粒子。W玻色子接著又分裂，这六个前子又分成不同的组合：一个正子（三个+1/3单位电荷粒子）和一个电子微中子（三个0电荷粒子）。

目前為止讨论的内容，或许可以称為夸克和轻子的生命密码，都是些加加减减的计数游戏，就像使化学式或数学式两边相等一样，只是比较认真且可行。要真正站稳脚步，前子模型必须能够用少数的组成单位和几条掌控规则来解释夸克和轻子。毕竟，我们是希望找出更底层的架构，将表面上看来不同的粒子加以统整，而不是依据每一项特性特别订立一套定义。不论是哈拉瑞与舒普的模型，还是其他广受认可的前子理论，都採取了这种解释方式。

然而，你或许已经注意到，目前為止讨论的内容只涵括第一代的夸克和轻子。当我们把目光转移到第二和第三代时，状况就变复杂了。在哈拉瑞和舒普的模型中，把较高的世代假设為第一代组态的激发态。如同电子由原子中的某一能阶跳跃到另一能阶，可能有某种不明机制将前子结合在一起，因此能以相同的组成產生多粒子的世代。

这个解释似乎有点语焉不详，的确如此，其中很多细节还没有研究清楚。首先提出夸克概念的理论性研究，复杂程度也差不多如此。以数学方式描述使夸克结合成质子和中子的强核力，则是后来才成功。不过世代问题仍然悬而未决，因此有几位物理学家提出了其他模型。其中一个模型假设有一种前子带有世代数以及称為超色（hypercolor）的新电荷，这种电荷使前子结合成夸克和轻子。

儘管这裡只介绍一种前子理论，但别以為前子理论只有一种。理论物理学家相当聪明，也很有创意。目前已有数百篇论文提出各种前子模型，但多半是把几个基本构想加以修改而成。有些模型假设前子具有1/6单位电荷，而非哈拉瑞与舒普模型的1/3。有些模型则认為夸克和轻子包含五个前子，而不是三个。另外还有些模型提出费米子前子和玻色子前子，或是认為玻色子的前子组成内容与〈粒子製作手册〉的表格不同。可能性事实上相当多，我们还需要更多资料，才能去芜存菁。

目前已知最小的物质粒子内部可能还有更小的粒子，这个概念本身就十分引人入胜，此外，许多物理学家对前子有兴趣还有另一个原因。如果前子确实存在，我们说不定可从中发掘更深奥的东西，探讨粒子物理学中另一个谜团。标準模型假设希格斯场是基本粒子质量的来源。具有质量的粒子在这个无所不在的场中移动时，会感受到某种拉力，而光子这类不具质量的粒子则可不受牵制地自由运动。如果构成第二和第三代的前子与第一代的前子相同，则很可能是前子具有某种性质，使较高世代的粒子与希格斯场的交互作用比第一代更强，因此世代越高、质量随之越大。相较之下，希格斯机制虽然可以让粒子具有质量，却没办法加以预测。

在更深入的理论问世前，次原子粒子的质量仍然只能个别测定。或许在了解夸克和轻子的结构和世代间為何有差别之后，我们就能更进一步了解希格斯机制。

局限难题

这裡必须指出的是，前子理论并非毫无瑕疵。首先，目前观测前子的所有实验都以失败告终。失败固然令人失望，但很可能只是因為实验设备不足。另外，这个理论本身也有些令人担心之处。它是「局限理论」的特徵，我们採用这个名称，是因為前子被局限在夸克和轻子内，相关的质量与局限大小成反比。因為夸克和轻子比质子小得多，依据这个规则，由受局限的前子构成的夸克，质量会比由夸克构成的质子大得多。因此，质子整体将比各部份质量的总和来得轻，甚至比个别部份更轻。

这个问题虽然似乎不可能克服，物理学家仍然提出了与玻色子有关的类似构想。举例来说，夸克和反夸克可构成称為π介子的玻色子，局限难题在其中似乎同样是个问题。然而，运用1961年由当时任职於CERN的高德史东（Jeffrey Goldstone）提出的概念，理论科学家早已了解，基础理论中的对称可以克服这个困难。因此，π介子会特别轻，其实并不令人意外。但可惜的是，这种解释方式仅适用於玻色子，而不适用於夸克等费米子。不过到了1979年，荷兰乌特列兹大学的特霍夫特（Gerard't Hooft）提出了适用於费米子的类似方式。特霍夫特的概念是否确实适用於真实粒子，目前还不明朗，但他的构想至少证明，关於夸克质量的理论障碍已经不再那麼难以撼动。

在物理学家试图解决世代问题的过程中，前子不是他们唯一探索过的道路，超弦理论就是相当重要的一项构想。在超弦理论中，物质的终极组成单位不是次原子粒子，而是极為微小的震盪弦，标準模型中的每个粒子都可视為发出不同声音的弦，所有现实则是超弦组成的管絃乐团，演奏出雄浑壮阔的宇宙交响曲。幸运的是，前子和超弦两者可以和谐共存，因為超弦的尺寸远小於夸克和轻子。如果超弦确实存在，它们不仅可以构成夸克和轻子，还能构成前子、甚至前前子或前前前子，端赖物质内部还有多少层未发现的世界而定。

前子构想把前子视為尚未发现的一般粒子，然而南澳洲阿得雷德大学的毕尔森–汤普森（Sundance Bilson-Thompson）於2005年提出另外一种方式，把前子描述成绞结在一起的时空。这个模型目前仍处於萌芽阶段，但物理学家已经开始探讨它的深层意义，特别是因為它提供了一种可能的途径，可把科学家寻求已久的重力量子论和标準模型整合起来。

如何证明前子存在？

物理学毕竟是实验的科学。一个理论不管多麼巧妙，如果与测量结果不符，就一定不正确。所以，实验科学家该如何证明前子确实存在或不存在？标準模型不需要前子，就能完整描述宇宙中的夸克、轻子和玻色子，所以物理学家必须找出标準模型预测中的些微误差——也就是近代物理学这栋大楼的细小裂缝。这个模型有两个面向看来格外有吸引力，值得我们深入探讨。

首先是大小。标準模型把夸克和轻子视為点状，也就是说，这些粒子的大小為0，不具内部结构。证明这些粒子的大小不為0，就能為前子的存在提供有力的证据。测量结果显示，质子和中子的半径大约是10-15公尺。从以前到现在，在全世界最先进的粒子对撞机进行的实验都一直在寻找证据，试图证明夸克或轻子具有可测量的大小，但目前為止得到的数据都显示大小為0，即使不為0，也只有质子大小的0.0002~0.001倍。要区别这两种可能性（大小為0与不為0但极小），我们必须更精确地测量。LHC是用来探索的机器，藉由目前撞击取得的大量资料以及预定执行的加速器能量提升，我们将可更进一步了解夸克和轻子的大小。

证明轻子等粒子具有次结构的另一种方式，是研究与其紧密相关的自旋和磁矩概念。我们可以把电子想像成旋转的球，物理学家把这项特性量化成自旋量子数；电子的自旋為1/2，和所有费米子相同。电子带有电荷，因此自旋与电荷结合后可形成磁矩，我们可把旋转的电子视為具有南北磁极的磁铁。假设轻子是自旋為1/2的点状粒子，则它应该只有单一特定磁矩。所以，如果电子或緲子的磁矩测量结果与预测不符，就代表这类粒子不是点状，可能是由前子构成。

物理学家早已知道，电子和緲子的磁矩确实和点状粒子不大相同。不过，这个微小差异和前子无关，而且或许可用标準模型加以解释。每个轻子周围都有「虚粒子」形成的稀薄云雾，这片云雾忽隐忽现。因為这片云雾的大小不為0，所以会对轻子的磁矩造成极小的影响，影响程度大约只有1/1000。前子的影响应该更小，但仍然侦测得到。费米实验室的緲子g-2实验即将產生的测量结果，精确度将比现有资料高出四倍以上。

物理学家也在对撞机资料中努力爬梳，寻找是否有粒子衰变现象，例如緲子衰变成电子和光子，以便证明前子存在以及较高世代粒子是第一代粒子的激发态。这类衰变现象目前尚未发现，即使真的曾经发生，其机率也低於千亿分之一。

现有的直接测量结果，全部都符合夸克和轻子為点状、且自旋為1/2的假设。对於认為已观察到的次原子粒子蕴含著尚未发现的物理现象的科学家而言，过去数十年相当令人洩气，但现在我们已经获得探索新领域的大好机会。

2011年，LHC让质子束以7兆电子伏特（7TeV）的能量对撞，是先前世界纪录的3.5倍（由费米实验室的正负质子对撞机在将近30年前所创）。LHC在2011这一年内撞击產生的资料，是正负质子对撞机28年运作期间全部资料的一半。2012年，CERN将LHC的能量提高到8TeV，在进行维修改善工作而暂时停机一年半之前，所得的资料预计将可达到四倍之多。LHC预计将在2014年年底或2015年年初恢復运转，让质子束以13或14TeV能量对撞，运作步调也会加快许多。

2012年的能量提升不多，应该算是小幅调整，但对寻找前子的工作而言，意义相当重大。粒子束能量只要改变少许，能量最大的碰撞次数就会提高到五倍之多。这类碰撞不仅可探查到最小的尺寸，也是我们寻找前子存在证据所需的事件。2014年和2015年的能量提升，更可大幅提升探索能力。

除了LHC之外，费米实验室的研究计画正在进行澈底改造，把寻找前子存在直接证据的功能包含进去。正负质子对撞机於2011年停止运转之后，费米实验室的加速器就不再挑战粒子物理学的能量极限，费米实验室也转而挑战强度极限，以前所未有的精确性探究罕见现象。与寻找前子关係最密切的两项实验将测定緲子的磁矩，并在緲子衰变成电子和光子时搜寻出来。

夸克和轻子内部结构的探索歷经相当长的黑暗期，未来将更加光明。你阅读这篇文章时，我们正在爬梳已经取得的大量LHC资料。我们在搜寻夸克和轻子大小不為0的证据，我们在寻找第四代的夸克和轻子，以及传递力的粒子也有不同世代的证据——是否传递弱核力的W和Z玻色子也有质量较大的表亲？

未来几年，我们将在次原子领域进行新的探索，与将近30年前正负质子对撞机开始运转时的科学家踏上同样的旅程。如同歷史上那些无畏的探险家，物理学家将勇往直前，在量子国度留下傲人的足跡。

帮顶

好深奥呢

楼主是不是想说超弦的存在？

沙宙 发表于 2013-3-25 19:23

                               
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楼主是不是想说超弦的存在？

超弦只是其他一些科学家提出来的，比夸克更小，是自然界最小的长度单位！存在与否还需要后续的研究才能证实～

夸克传奇！

宇宙无上限，同时亦是无下限

科学道路没有尽头！

应该说，我们是元宇宙缺陷的产物，而大爆炸打破元宇宙恒稳态之后，一发不可收拾，
物质多样化就像癌症和病毒一样蔓延开来，各种作用力和定律的相互撞击和回荡形成了大千世界。

头都晕了，我宁愿相信有上帝。。。。。只是。。。。。真有上帝的话。。。。。上帝又是从哪里来的呢？继续头晕。。。

天道无极 发表于 2013-3-25 19:27
超弦只是其他一些科学家提出来的，比夸克更小，是自然界最小的长度单位！存在与否还需要后续的研究才能证 ...

超弦应该是在寻求把自然界四种基本力和引力统一的一种数学表达

物质是从“无中生有”的

下次请麻烦转为简体

天文之乐 发表于 2013-3-25 18:58

                               
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好深奥呢

这篇文章在科技论文里已经算是科普性质的，通俗易懂，确是好文。希望咱中国的专家们也能出点此类东西，不要老躲在象牙塔里。

画蛇者 发表于 2013-3-26 21:16

                               
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这篇文章在科技论文里已经算是科普性质的，通俗易懂，确是好文。希望咱中国的专家们也能出点此类东西，不 ...

嗯，是啊，别老是出来帮ZF乱说一气

sonic5188 发表于 2013-3-25 21:52

                               
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应该说，我们是元宇宙缺陷的产物，而大爆炸打破元宇宙恒稳态之后，一发不可收拾，
物质多样化就像癌症和病 ...

根据爱因斯坦的著名公式，宇宙只是个能量体，那是什么在控制着能量呢？如果能量不受控制，那宇宙也不可能有什么规律。没有了规律，那人类的出现就比天方夜谭还可笑了。所以，什么才是宇宙的本质——谁在控制能量？千万别说是自然规律，那等于没有回答。因为就连蚂蚁也知道要遵守自然规律。

天文之乐 发表于 2013-3-26 21:22

                               
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嗯，是啊，别老是出来帮ZF乱说一气

{:soso_e100:}

何志义 发表于 2013-3-25 22:40

                               
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物质是从“无中生有”的

根据现代经典物理学的理论，物质来自能量，而非“无中生有”。不知你有什么能推翻爱因斯坦理论的高论？{:soso_e100:}

sonic5188 发表于 2013-3-25 21:52

                               
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应该说，我们是元宇宙缺陷的产物，而大爆炸打破元宇宙恒稳态之后，一发不可收拾，
物质多样化就像癌症和病 ...

暗能量毕竟无法摧毁空间，这样得话，是不是原宇宙的稳恒态会被永久性打破？

画蛇者 发表于 2013-3-26 21:25

                               
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根据爱因斯坦的著名公式，宇宙只是个能量体，那是什么在控制着能量呢？如果能量不受控制，那宇宙也不可能 ...

我觉得更重要的问题是：什么是能量