夸克之內(nèi)別有洞天

宇宙是個(gè)既復(fù)雜又難以理解的地方。我們?cè)诳諝庵行袆?dòng)自如，但卻沒(méi)辦法穿墻而過(guò)；太陽(yáng)將一種元素轉(zhuǎn)變成另一種元素，讓地球沐浴在溫暖和光亮之中；無(wú)線電波可以將人類的聲音從月球表面送往地球，伽馬射線可能對(duì)我們的DNA造成無(wú)法復(fù)原的損害。表面上看，這些現(xiàn)象之間似乎互不相干，但是物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了若干原理，再整合成極度簡(jiǎn)潔的理論，能夠解釋包含這些在內(nèi)的許多現(xiàn)象，這便是量子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。

標(biāo)準(zhǔn)模型是史上發(fā)展得最成功的一項(xiàng)理論。本質(zhì)上，這個(gè)模型假設(shè)無(wú)法再加以分割的物質(zhì)粒子有兩種，分別是夸克和輕子。不同種類的夸克構(gòu)成了質(zhì)子和中子，最常見(jiàn)的輕子則是電子。適當(dāng)比例的夸克和輕子可構(gòu)成各種原子，再進(jìn)一步構(gòu)成宇宙中的各種物質(zhì)。這些構(gòu)成物質(zhì)的粒子由四種力結(jié)合在一起，分別是大眾相當(dāng)熟悉的重力和電磁力，以及較不熟悉的強(qiáng)核力及弱核力。

在標(biāo)準(zhǔn)模型中，有一個(gè)謎團(tuán)一直吸引著物理學(xué)家的注意。標(biāo)準(zhǔn)模型把夸克和輕子視為不可分割的粒子，但令人驚訝的是，許多跡象顯示它們可能是由更小的粒子構(gòu)成。如果夸克和輕子不是最基本的粒子，而且更小的粒子確實(shí)存在，我們勢(shì)必得大幅修改我們的理論。

要解決這個(gè)問(wèn)題，必須讓粒子以極高的能量相撞。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始觀察夸克以來(lái)，我們一直缺乏能夠一窺夸克內(nèi)部的工具。但現(xiàn)在，歐洲核子研究中心的LHC正在加速運(yùn)轉(zhuǎn)，將協(xié)助我們完成這項(xiàng)任務(wù)。目前，LHC已經(jīng)發(fā)現(xiàn)重要的證據(jù)，證明希格斯粒子確實(shí)存在。

夸克和輕子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的初步線索，來(lái)自探討另一個(gè)未解難題時(shí)的研究，這個(gè)難題與已知的各種夸克及輕子的數(shù)目有關(guān)。質(zhì)子和中子由上夸克和下夸克這兩種夸克構(gòu)成，而且只要有這兩種夸克和電子，就足以構(gòu)成宇宙中的所有物質(zhì)。然而，我們?nèi)匀挥^察到有其他夸克的存在。奇夸克的電荷和下夸克相同，但質(zhì)量較大，底夸克的質(zhì)量則比奇夸克更大。同樣，魅夸克的質(zhì)量大于上夸克，而質(zhì)量特大的頂夸克則是夸克家族的最后一個(gè)成員。

電子也有質(zhì)量較大但較不穩(wěn)定的表親，分別是緲子和質(zhì)量更大的濤子，其擁有的電荷與電子相同。目前已知的粒子中共有三種微中子，這三種微中子的質(zhì)量極小，而且都是電中性。

粒子家族如此枝繁葉茂，物理學(xué)家自然有了一個(gè)疑問(wèn)：既然只需要上夸克、下夸克和電子就能構(gòu)成整個(gè)宇宙，它們?yōu)槭裁催€有那么多表親？

科學(xué)家著手破解粒子家族成員眾多之謎的方法之一是畫出表格，說(shuō)明各種已知基本粒子的特性，方法類似元素周期表?？淇撕洼p子表共有三行，稱為三個(gè)“世代”。最左邊的第一代包括上、下夸克以及電子和電子微中子，也就是構(gòu)成我們熟知宇宙的所有粒子。第二代包括前一代粒子質(zhì)量較大的“表親”，第三代則是質(zhì)量最大的“表親”。這個(gè)表的模式與化學(xué)周期表如出一轍，讓人聯(lián)想到世代間的差異可能源自夸克和輕子內(nèi)部組成單位的組態(tài)不同。

在20世紀(jì)初，還有一件可能與尋找夸克內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)的歷史事件，那就是發(fā)現(xiàn)放射性衰變：一種元素經(jīng)由當(dāng)時(shí)還不了解的某種過(guò)程，變化成另一種元素。現(xiàn)在我們知道，改變?cè)雍酥匈|(zhì)子和中子的數(shù)目，就可能達(dá)成中世紀(jì)煉金術(shù)士的目標(biāo)，將不值錢的鉛變成黃金?？赡馨l(fā)生的變化其實(shí)范圍更大，因?yàn)橹灰淖儍?nèi)部的組成夸克種類，核子煉金術(shù)甚至能將中子變成質(zhì)子。這種變化是通過(guò)弱核力進(jìn)行的。弱核力也可改變輕子，但夸克不可能變成輕子，反之亦然。一種元素能夠轉(zhuǎn)變成另一種元素，代表原子內(nèi)部有復(fù)雜的活動(dòng)?？淇撕洼p子的變化可能也告訴我們，這些粒子內(nèi)部具有更微小的結(jié)構(gòu)……