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夸克之內(nèi) 別有洞天 由物理網(wǎng)資料整理

1869年，門得列夫(Dmitri Mendeleev)發(fā)現(xiàn)化學元素的性質(zhì)有一定的重復模式，因此創(chuàng)立了元素?期表。物理學家后來認?，這種重復模式源自原子的結(jié)構(gòu)。今天在粒子物理學中，或許也會出現(xiàn)相同的狀況。

目前已知的12種基本粒子也有重復模式，因此可能并非真正基本，而是包含更小的粒子。物理學家暫時將這種粒子稱?「前子」(preon)。

但是，其他證據(jù)并不支持這種可能性。歐洲核子研究組織(CERN)的大強子對撞機(LHC)和一些其他的實驗，或許可以解決這個問題。

宇宙是個既復雜又難以理解的地方。我們在空氣中行動自如，但沒辦法穿墻而過。太陽將一種元素轉(zhuǎn)變成另一種元素，讓地球沐浴在溫暖和光亮之中。無線電波可以將人類的聲音從月球表面送往地球，γ射線卻可能對我們的DNA造成無法?原的損害。從表面上看來，這些現(xiàn)象之間似乎互不相干，但是物理學家發(fā)現(xiàn)了若干原理，再整合成極度簡潔的理論，能夠解釋包含這些在內(nèi)的許多現(xiàn)象。這項理論稱?粒子物理學的「標?模型」，涵括了使墻壁形成固體的電磁力、使太陽放射出光和熱的核力，以及現(xiàn)代通訊賴以運作和可能威脅人類健康的各種光波。

標?模型是史上發(fā)展得最成功的一項理論。本質(zhì)上，這個模型假設無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，最常見的輕子則是電子。適當比例的夸克和輕子可構(gòu)成各種原子，再進一步構(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?相當熟悉的重力和電磁力，以及較不熟悉的強核力及弱核力。電磁力與強、弱核力是透過交換「玻色子」來傳遞，但由微觀角度來解釋重力的各種嘗試，至今尚未成功。

標?模型還有其他問題無法解答，例如：力?什?有四種，而不是三種或五種?基本粒子?什?分成兩類，而不能以單一類別涵括全部的粒子?

這些問題都相當引人好奇，然而長久以來，另一個謎團一直吸引著我和許多物理學家的注意。標?模型把夸克和輕子視?不可分割的粒子，但令人驚訝的是，有許多?象顯示，它們可能是由更小的粒子所構(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存在，我們勢必得大幅修改我們的理論。拉塞福(Ernest Rutherford)於1911年發(fā)現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)之前，核能對人類而言難以想像，同樣地，進一步深入探索次原子世界，一定也會揭露我們目前想像不到的現(xiàn)象。

科學家要解決這個問題，必須讓粒子以極高的能量相撞。從1970年代開始觀察夸克以來，我們一直缺乏能夠一窺夸克內(nèi)部的工具。但現(xiàn)在，歐洲核子研究組織(CERN)的大強子對撞機(LHC)正在加速運轉(zhuǎn)，將可協(xié)助我們完成這項任務。LHC日前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)重要的證據(jù)，證明標?模型中最后一個尚未找到的粒子——希格斯玻色子確實存在。

世代差異

夸克和輕子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的初步線索，來自探討另一個未解難題時的研究，這個難題與已知的各種夸克及輕子數(shù)目有關。質(zhì)子和中子由「上夸克」和「下夸克」這兩種夸克構(gòu)成，上夸克具有質(zhì)子的+2/3單位電荷，下夸克則具有質(zhì)子的-1/3單位電荷。雖然只要有這兩種夸克和電子，就足以構(gòu)成宇宙中所有物質(zhì)，我們?nèi)杂^察到有其他夸克存在。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。同樣地，魅夸克的質(zhì)量大於上夸克，而質(zhì)量特大的頂夸克則是夸克家族的最后一個成員。粒子物理學家已經(jīng)觀察到這些夸克，但較重的四種夸克會在幾分之一秒內(nèi)衰變成較輕的兩種。

電子也有質(zhì)量較大但較不穩(wěn)定的表親，分別是?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，物理學家自然有了一個疑問：既然只需要上夸克、下夸克和電子就能構(gòu)成整個宇宙，它們?什?還有那?多表親?正如曾獲諾貝爾獎的物理學家拉比(I. I. Rabi)發(fā)現(xiàn)?子時的名言：「是誰下令這?做的?」

科學家著手破解粒子家族成員?多之謎的方法之一是畫出表格，說明各種已知基本粒子的特性(參見右方〈粒子大觀園〉)，方法類似元素?期表。?期表讓物理學家想到，化學元素可能不是最基本的物質(zhì)單位。某一行或列中的元素具有類似性質(zhì)，可能是因?原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有某種規(guī)律。

夸克和輕子表共有三行，稱?三個「世代」(因此粒子數(shù)目?多之謎現(xiàn)在稱?「世代問題」)。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。

標?模型把夸克和輕子視?點狀粒子，沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但這個表的模式與化學?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。

20世紀初還有一項可能與尋找夸克內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關的?史事件，就是發(fā)現(xiàn)放射性衰變。一種元素經(jīng)由當時還不了解的某種過程，變化成另一種元素�，F(xiàn)在我們知道，改變原子核中的質(zhì)子和中子數(shù)目，就可能達成中世紀煉金術士的目標，將不值錢的鉛變成黃金�？赡馨l(fā)生的變化其實范圍更大，因?只要改變內(nèi)部的組成夸克種類，核子煉金術甚至能將中子變成質(zhì)子。這種變化是透過弱核力進行。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)部有復雜的活動，夸克和輕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)......