互动科普

夸克、电子等基本粒子可能还有内部结构，

科学家希望揭示这些粒子的内部世界。

撰文 唐林肯（Don Lincoln） 翻译 李卫国

从表面上看，这些各不相同的现象之间毫无关系，但物理学家发现了一系列的规律，并将它们融合成一个简单的理论，来解释上面的问题以及更多的现象。这个理论就是粒子物理的标准模型，它包容了使墙成为墙的电磁力、控制太阳这个能源工厂的核力，以及使现代通讯成为可能并威胁到我们健康的各种光波。

标准模型是至今最成功的理论之一。本质上，它假定存在两类不能分割的物质粒子：夸克和轻子。不同的夸克组成了质子和中子，电子是我们最熟悉的轻子。夸克和轻子之间的特定组合可以形成任意一种原子，进而构成了宇宙中的一切物质。

这些物质的基本元件通过四种相互作用力束缚在一起，其中引力和电磁力是大家所熟悉的，另外两种是大家比较陌生的强相互作用力和弱相互作用力。粒子之间通过交换一个或多个玻色子来传递后三种力，但所有把引力纳入微观世界的尝试都归于失败。

对于某些问题，标准模型也没能给出回答：为什么自然界有四种力而不是三种或五种？为什么需要两种类型的基本粒子而不是一种来解决所有问题？

这些都是很有意思的问题，但长期以来，我和其他一些物理学家关注的，却是另外一个谜团。

标准模型认为夸克和轻子是不可再分的，但令人震惊的是，各种线索暗示，它们实际上是由更小的元件组成。如果夸克和轻子不是最基本的粒子，并且确实存在更小的组元，这将迫使我们对现有理论做出重大修改，就像欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）在1911年发现原子结构之前，核能是不可想象的一样。

揭示亚原子世界更深层次的结构，必将展露出我们还不能想象的各种现象。

要想解决这个问题，科学家需要在极高能量下进行粒子对撞实验。自上世纪70年代夸克被发现后，我们一直缺少能够窥视它们内部结构的工具。近期，科学家在欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）上，发现了希格斯玻色子（标准模型中最后一个没有被证实的粒子）存在的证据，这加速了我们对微观粒子的认识，并最终可能揭示夸克、轻子的内部结构。

夸克和轻子的暗示

人们认为夸克和轻子存在内部结构的最初观点，来自于对另一个未解难题的研究，这个难题与人们已经发现的夸克和轻子的数目有关。

质子和中子由两种夸克组成，我们称之为上夸克和下夸克（其中质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子则由一个上夸克和两个下夸克组成）。上夸克带2/3的质子电荷，下夸克带-1/3的质子电荷。虽然只须这两种夸克和电子就能够组成宇宙中所有的物质，但其他夸克还是被一些科学家发现了。

底夸克、奇夸克和下夸克是同类粒子，它们带有相同的电荷，但奇夸克会比下夸克重一些，底夸克则最重。同样，粲夸克是比上夸克更重的同类粒子，带有与上夸克相同的电荷，而顶夸克是上夸克家族中最重的粒子。粒子物理学家观测到了所有的这些夸克，但4个较重的夸克在瞬间就衰变成最轻的两个。

电子也存在重的、不稳定的同类粒子——μ介子和更重的τ介子，两者都带有和电子相同的电荷。此外，在人类已知的粒子家族中，还包括三代中微子，它们都特别轻并且是呈电中性的。

以上种种现象很自然地让我们想到：既然构造宇宙只需要上夸克、下夸克和电子，那为什么它们还有这么多同类粒子？这个问题可以简化为1944年诺贝尔物理奖得主拉比（Rabi）的一句话（这句话经常被引用），当他在得知μ介子被发现后问道：“这是谁安排的？”

通过建立图表来描绘所有已知粒子的性质，是科学家解决众多粒子家族问题的途径之一，这类似于化学元素周期表。元素周期表第一次让物理学家知道那些化学元素可能不是基本的，原子内部结构的系统模式可以解释元素在某一行或某一列的相似性质。

夸克和轻子表有三列，我们称之为代（这就是粒子多样性之谜被称作代的问题）。最左边那一列表示第一代粒子，它包括上夸克、下夸克、电子和电子中微子，可以解释我们所知宇宙的一切。第二代粒子是与第一代粒子同类的较重粒子，而第三代粒子则是所有粒子中最重的。

标准模型把夸克和轻子当作是没有任何内部结构的点粒子，但表中所显示出的模式与化学元素周期表类似，这为我们揭示了一种可能性，即不同代之间的差别，来源于夸克和轻子内部更小组元的组合方式。

20世纪初，放射性的发现也是一个可能和寻找夸克深层次结构有关的历史先例。一种元素可以转变为另一种，但当时，科学家并不知道这个过程是怎么发生的。我们现在知道，通过改变原子核中质子和中子的数目，是有可能实现中世纪炼金术士的目标——把铅变为金。

不同元素、不同粒子之间的可能转变范围非常广泛，原子核炼金术甚至能通过改变其组分夸克的身份，把中子变为质子（反之亦然）。此间，弱核力主导着上述过程，同样，它也可以使轻子发生转变，但夸克却不能变为轻子（反之亦然）。就像元素之间的转变反映了原子内部的复杂机制，夸克和轻子的转变也可能是一种暗示：这些粒子还存在更精细的内部结构。

先子模型

关于夸克和轻子的内部组元，科学家提出了很多假设，每一个假设都有不同的名称，但是先子（preon）这个术语却成为他们共同的用法。在大多数情况下，这个名字用来描述基本粒子的组元。这些粒子携带了作用于物质元的力。

举一个例子，1979年，当时在美国斯坦福直线加速器中心（ Stanford Linear Accelerator Center）的哈伊姆·哈拉里（Haim Harari） 和伊利诺伊大学香槟分校的迈克尔·A·莎珀（Michael A. Shupe）各自独立提出了一个直观的模型。

后来在1981年，这个模型便由当时已经在以色列魏茨曼科学院的哈拉里和他的学生内森·塞伯格（Nathan Seiberg）给予扩展（见下图）。他们提出，自然界存在两类先子，并且都是费米子粒子，一类带+1/3电荷，另一类带0电荷；同时，每一类粒子伴随有一个带相反电荷的反粒子，它们所带电荷各为-1/3和0。每个夸克和轻子都由特定的三个先子组合而成。比如，2个带+1/3电荷的先子和一个带0电荷的先子组成上夸克，而上夸克的反粒子则由2个带-1/3电荷的先子和一个带0电荷的先子组成。另外，传递作用力的玻色子由特定的6个先子组成。比如，传递弱作用、带正电荷的W玻色子（同时参与夸克和轻子的相互作用），包含3个+1/3电荷的先子和三个0电荷的先子。

哈拉里和莎珀利用一系列合理的假设，设定了第一代所有粒子的先子组成。同样的组元也可以用来构成传递强核力（把质子和中子内的夸克束缚在一起）的亚原子粒子——胶子，以及传递其他力的玻色子。

对夸克、轻子和玻色子的内部结构的描述，可以解释这些粒子间的各种相互作用和作用力。确实，利用先子，可以合理地描述亚原子过程。比如，一个上夸克和一个反下夸克碰撞，产生一个带正电的W玻色子，然后这个W玻色子再衰变为一个正电子和一个电子中微子。

在哈拉里和莎珀建立的先子模型中，碰撞之前的每个夸克都携带三个先子，所以碰撞过程中产生的W玻色子，包含所有三个带+1/3电荷和三个带0电荷的先子。当W玻色子碎裂时，这6个先子便重新组合，分裂为一个正电子（3个带+1/3电荷的先子）和一个电子中微子（3个带0电荷的先子）。

至此，我讨论了夸克和轻子内部的数字组合规律。尽管它是严肃的，也是合理的，但就像平衡化学式和数学公式一样，这只是一个简单的数字游戏。要想成功，先子模型必须利用少量的组元和一些支配它们的规则，来解释所有的夸克。毕竟，我们希望能够找到一种潜在的规律，把表面不同的各种粒子统一起来，而不是一个临时的法则，只能一个一个地单独解释它们的性质。哈拉里—莎珀模型和其他一些较成功的先子理论已经实现了这一点。

你可能已经注意到，到目前为止，我们只讨论了第一代夸克和轻子。当涉及第二、第三代时，事情则变得有些模糊了。在哈拉里和莎珀建立的模型中，第二三代夸克和轻子被假定为第一代粒子的激发态，就像原子中的电子从一个能态跳到另一个一样。将先子束缚在一起的某种未知机制，允许多种不同代的粒子是由同一组元产生的。

这种解释看上去像挥挥手一样简单，但仍然还有很多细节问题没有得到解决。最早有关夸克的理论研究与今天的情形有相似的复杂程度，只是在后来，科学家用数学语言描述了把质子和中子里的夸克束缚在一起的强作用力，有关夸克的基本理论就确立了。

不过，代的问题始终没有得到解决，因此，一些物理学家竞相提出了各种模型来解决这个问题，其中一种模型假定，有一种先子含有的量子数，可以决定由它们组成的夸克、轻子属于第几代，而且它们还携带了一种能把夸克和轻子中的先子结合在一起的新电荷，这种电荷名为超色（hypercolor）。

虽然我在这里只描述了一种先子模型，但它并不是唯一的模型。我们的同行非常聪明并且很有创造力。事实上，科学家已经发表了几百篇有关其他先子模型的文章，但大部分都只是在某几个模型的基础上做些改动。

其中，有些模型假定先子带有1/6电荷，而不是哈拉里—莎珀模型中认为的1/3电荷。另一些模型则假定，夸克和轻子中含有5个先子而不是3个。还有的模型提议，费米子先子和玻色子先子可以混合在一起，或者认为玻色子含有不同于表中所给出的先子组分。可能性实在太多，物理学家需要更多的数据来辨别候选模型。

除了我们本能地对最小的东西竟然还可以再分而感到惊奇之外，很多人对先子感兴趣还有一个原因：如果先子存在，那它就会对粒子物理中的另一个著名谜团产生深远影响。标准模型认为，希格斯场是所有基本粒子的质量来源。大质量的粒子在这个无处不在的场中通过时，会受到一种阻碍，而像光子这样零质量的粒子却能够不受干扰地滑过。如果组成第二、第三代夸克和轻子的先子就是组成第一代的，说不定先子的某种性质，能使希格斯场与高代粒子间的相互作用，强于与第一代间的作用，从而赋予高代粒子更大的质量。然而，希格斯机制能解释粒子的质量来源，却不能做出预测。

在更深层次的理论建立之前，科学家要想获得亚原子粒子的质量，只能通过一个一个地测量。如果理解了夸克和轻子的内部结构，并揭示了代与代之间的区别，我们就可以对希格斯机制理解得更加透彻。

先子模型的缺陷

先子模型自身也有不完善的地方。首先，科学家还没有在实验中发现先子存在的证据，这种失败让人感到沮丧，但也可能只是缺乏合适的设备。先抛开实验不说，理论本身也有内在的问题。由于先子禁闭在夸克和轻子内部，“禁闭理论”（confining theories）的一个天然特性就是，粒子质量的大小反比于“禁闭空间”的大小。因为夸克和轻子比质子小得多，所以一个由禁闭先子组成的夸克的质量，要比一个质子大很多，而质子又是由夸克组成的。这就是说，质子的整体质量要比构成它的各个组元的总质量小——实际上，是比单个组元的质量小。

虽然这个问题看起来难以克服，但物理学家已经在玻色子领域，找到了解决类似问题的方法。比如，一个夸克和一个反夸克能够组成一个被称为π介子的玻色子，在这里，禁闭谜团看似仍未解决，但利用欧洲核子研究中心的杰弗里·戈德斯通（Jeffrey Goldstone）在1961年提出的一个想法，理论物理学家认识到，基础理论中的对称性问题能够解决这个困难。这样的话，π介子的质量轻也就不奇怪了。

不幸的是，这种方法只适用于玻色子，而不适用于夸克这样的费米子。1979年，荷兰乌得勒支大学的杰拉德· 特霍夫特（Gerard't Hooft）提出了适用于费米子的相关方法，他的想法是否来自实际的粒子，人们并不清楚，但特霍夫特的想法至少说明了，从理论上解释夸克的质量，并不像最初表现的那样难以克服。

先子理论并不是物理学家用来解决“代的问题”的唯一途径，在其他一些途径中，最引人瞩目的就是超弦。超弦理论认为，最基本的物质组元是一些微细的振动弦，而不是亚原子粒子。打个比方，每个标准模型粒子可以当作发出不同音调的琴弦，而整个现实世界就像一个超弦乐团在演奏大型的宇宙交响乐。令人高兴的是，由于超弦的尺寸量级远小于夸克和轻子，所以先子和超弦能够友好共存，并不矛盾。假如超弦存在，它们不仅可以组成夸克和轻子，也可以组成先子，甚至比先子更加基本的粒子……这取决于物质到底能分到什么程度。

尽管先子还没有发现，但在2005年，澳大利亚阿德莱德大学的圣丹斯·比尔森—汤普森（Sundance Bilson-Thompson）提出了先子的另一种描述，他认为先子是扭曲了的时空编带（twisted braids of spacetime），虽然这个模型才提出不久，但物理学家正在对它进行更深入的研究，至少这个方法提供了一个把引力的量子理论纳入标准模型的可能途径。

突破点

物理学最终还是要归于实验。不管理论描述得如何完美，如果与实验不符，它就还是错的。研究人员如何来检验“先子说”是正确还是错误的呢？标准模型没有借助于先子就成功地描述了宇宙中的夸克、轻子和玻色子，因此物理学家必须要找到与标准模型的各种预言不一致的地方，即现代物理学大厦的微小裂痕。物理学家可以从标准模型的以下两个方面寻找突破。

第一个是尺寸，标准模型把夸克和轻子看作点粒子，即它们的尺寸为零并且没有内部结构。如果物理学家发现这些粒子的尺寸不为零，这将是先子存在的有力证据。

测量表明，质子和中子的半径大约为10-15米。世界上最先进的粒子加速器实验，都在寻找夸克和轻子非零尺寸的证据，但到目前为止，所有数据都与夸克和轻子是零尺寸的观点完全相符，但也有另一种可能，就是它们的尺寸只有质子大小的0.0002到0.001倍，实验分辨不出来。为了区分这两种可能性（零尺寸或尺寸非常非常小），我们需要更加精确的测量。LHC是一个发现利器，它目前所产生的巨量数据，以及未来科学家对其对撞能量的提升，是让我们能更深入研究夸克和轻子大小的两条途径。

另一个揭示已知粒子内部结构的途径——至少对轻子而言——是研究与之紧密相关的自旋和磁矩。我们可以将电子想象成一个旋转的球，物理学家把这个性质量化成自旋量子数。和所有的基本费米子一样，电子的自旋为1/2，加之电子是带电的，所以自旋就会产生磁矩，用一个有趣的说法，自旋把电子变成一个带有北极和南极的普通磁铁。我们假定轻子是一个自旋为1/2的点粒子，那它就应该有唯一确定的磁矩。如果电子或μ介子磁矩的测量值和预期不同，这样的结果将强烈暗示这些粒子不是点粒子，而有可能是由先子组成。

物理学家一直知道，电子和μ介子的磁矩和认为它们是点粒子的观点有一些差别，但这个微小差别和先子无关，事实上我们可以用标准模型来解释。每个轻子由被称为虚粒子的“瞬息云”（evanescent cloud）围绕，它们忽隐忽现。因为这个云有大小，它对轻子的磁矩有一个很小的改变，约千分之一。虽然先子对磁矩的影响将更小，但还是可以探测到的。费米实验室的μ介子g-2实验的新测量，将比现在已达到的结果精确4倍。

物理学家也在对目前的实验数据进行更深入的分析，如果先子存在，并且高代粒子是第一代粒子的简单激发态，那么基本粒子（夸克、轻子）就有可能会发生衰变。其中一个过程就是μ介子衰变为一个电子和一个光子。这种衰变目前还没有观测到，但即便它能发生，出现的几率也会小于千亿分之一。

到目前为止，所有的直接测量结果都表明，夸克和轻子确实是自旋为1/2的点粒子。对于我们来说，观察到亚原子粒子存在“代的问题”，强烈暗示了我们还没有发现的新物理现象。过去的几十年是令人揪心的，但现在我们真正有机会来探索新的领地。

2011年，LHC在7TeV（7万亿电子伏）的能量上实现了质子对撞，这个能量是此前世界记录的3.5倍（原记录由费米实验室的Tevatron保持了四分之一世纪）。这一年，LHC所产生的数据量，相当于Tevatron在它整个28年职业生涯中所产生的总数据量的一半。2012年，CERN把LHC的对撞能量提高到8TeV，预期能够获取4倍于目前的数据量，接下来，科学家将对LHC实施为期一年半的维修和改进，预计在2014年末或2015年初重新运作。届时LHC的质子束流将以更快的速率实现对撞，能量将达到13TeV或14TeV。

虽然在2012年，LHC对撞能量的提高看起来只是一次小规模的调整，但它对先子的寻找有重大意义。这次小规模的能量提高，将使科学家在最高能量处获取5倍于原来的数据量，而这些数据可用来探索粒子最小的尺寸，这将有助于科学家寻找先子存在的证据。LHC在2014年－2015年的维修改进，将大大提升探索粒子最小尺寸的能力。

 除了LHC,费米实验室的研究项目也正在进行彻底的改进，其中包括一项寻找先子存在的直接证据的计划。自从2011年Tevatron退役后，费米实验室的加速器便不再处于粒子物理研究领域的前沿，现在它将注意力转向强度的前沿（intensity frontier），以前所未有的精度探索罕见现象。其中有两个与寻找先子最为相关的实验——μ介子磁矩的测量和寻找μ介子衰变为一个电子和一个光子的过程。

目前，寻找夸克和轻子内部结构的形势比过去很长一段时期都要好。在你读到这篇文章时，我和同事正在把LHC已获得的巨量数据综合起来分析，寻找夸克和轻子大小不为零的证据。同时，我们也正在寻找第4代夸克和轻子，以及传递力的玻色子也有代的证据，例如去寻找比传递弱核力的W和Z玻色子更重的同类粒子。

就像25年前Tevatron开始运行时科学家所开创的旅程一样，未来的几年将是科学家进军亚原子领域的一个新的阶段。和过去那些无畏的探索者一样，物理学家正不断开拓进取，照亮走向量子前沿的道路。

本文译者 李卫国是中国科学院高能物理研究所的研究员，长期从事实验高能物理。近20多年，他主要在北京正负电子对撞机北京谱仪上工作。