夸克之内 别有洞天?

■1869年，德米特里·门捷列夫发现化学元素的性质具有某些重复模式，从而创建了元素周期表。物理学家后来认为这种重复模式源于原子的结构。今天，在粒子物理学中，同样的情况可能会发生。

■目前已知的12种基本粒子也有重复模式，因此它们可能不是真正的基本粒子，而是包含更小的粒子。物理学家暂时称这种粒子为“preon”■然而，其他证据不支持这种可能性。欧洲核研究组织的大型强子对撞机(LHC)和其他一些实验可能会解决这个问题。宇宙是一个复杂而难以理解的地方。我们可以在空中*移动，但是我们不能穿过墙壁。太阳将一种元素转化为另一种元素，给地球带来温暖和光明。无线电波可以把人类的声音从月球表面传送到地球，但是伽马射线可能会对我们的DNA造成不可修复的损害。从表面上看，这些现象似乎彼此无关，但物理学家发现了几个原理，可以整合到极其简洁的理论中来解释包括这些在内的许多现象。这一理论被称为粒子物理学的“标准模型”，包括使墙壁形成固体的电磁力、使太阳发出光和热的核力，以及现代通信所依赖并可能威胁人类健康的各种光波。标准模型是历史上最成功的理论。本质上，这个模型假设有两种物质粒子不能再被分离，夸克和轻子。不同种类的夸克组成质子和中子，最常见的轻子是电子。适当比例的夸克和轻子可以形成不同的原子，进而在宇宙中形成不同的物质。构成这些物质的粒子由四种力组合而成，即公众非常熟悉的重力和电磁力，以及公众不太熟悉的强核力和弱核力。电磁力和强、弱核力是通过交换“玻色子”来传递的，但从微观角度解释重力的各种尝试尚未成功。标准模型还有其他无法回答的问题，比如:为什么有四种力，而不是三种或五种？为什么基本粒子分成两类，而不是包含一类中的所有粒子？这些问题很奇怪，但很长一段时间以来，另一个谜吸引了我和许多物理学家的注意。标准模型认为夸克和轻子是不可分割的粒子，但令人惊讶的是，有许多迹象表明它们可能由更小的粒子组成。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，我们将不得不大大修正我们的理论。在欧内斯特·卢瑟福于1911年发现原子结构之前，核能对人类来说是不可想象的。同样，对亚原子世界的进一步探索肯定会揭示出我们目前无法想象的现象。为了解决这个问题，科学家必须让粒子以极高的能量碰撞。自从20世纪70年代我们开始观察夸克以来，我们一直缺少工具来观察夸克内部。但是现在，欧洲核研究组织的大型强子对撞机(LHC)正在加速，并将帮助我们完成这项任务。LHC最近发现了重要的证据，证明希格斯玻色子确实存在，希格斯玻色子是标准模型中最后一个没有发现的粒子。世代差异夸克和轻子内部结构的最初线索来自于讨论另一个未解决的问题时的研究，这个问题与已知的各种夸克和轻子的数量有关。质子和中子由“上夸克”和“下夸克”组成。上部夸克有+2/3单位质子电荷，而下部夸克有-1/3单位质子电荷。尽管这两种夸克和电子足以构成宇宙中的所有物质，我们仍然观察到其他夸克的存在。奇夸克和低夸克的电荷相同，但是低夸克的质量比奇夸克大。同样，化身夸克的质量大于上夸克，而质量非常大的上夸克是夸克家族的最后一员。粒子物理学家已经观察到了这些夸克，但是较重的四个夸克会在几分之一秒内衰变为较轻的两个。电子也有较大但不太稳定的表亲，μ介子和较大的Tao，它们与电子具有相同的电荷。目前，已知粒子中有三种中微子。这三种中微子质量很小，都是电中性的。由于粒子家族如此众多，物理学家自然会有一个问题:既然形成整个宇宙只需要上夸克、下夸克和电子，为什么它们还有这么多表亲呢？正如诺贝尔奖获得者物理学家拉比(即拉比)在发现μ子时说过的一句名言:“谁下令的？”科学家开始解决粒子家族大量成员之谜的方法之一是画一张表，显示各种已知基本粒子的特征(见右边的“粒子大视图”)，类似于元素周期表。周期表提醒物理学家，化学元素可能不是物质最基本的单位。行或列中的元素具有相似的属性，可能是因为原子的内部结构有一定的规则。夸克和轻子表有三排，被称为三个“世代”(所以大量粒子的奥秘现在被称为“世代问题”)。最左边的第一代包括上夸克和下夸克，以及电子和电子中微子，它们都是构成我们熟知的宇宙的粒子。第二代包括第一代质量较大的表亲，而第三代是质量最大的表亲。标准模型认为夸克和轻子是没有内部结构的点粒子。然而，该表的模型与化学元素周期表的模型完全相同，表明世代之间的差异可能是由夸克和轻子的内部组成单元的不同构型造成的。20世纪初，另一个可能与寻找夸克内部结构有关的历史事件是放射性衰变的发现。一个元素通过当时未知的过程变成另一个元素。现在我们知道，通过改变原子核中质子和中子的数量，就有可能实现中世纪炼金术士把无用的铅变成黄金的目标。可能的变化范围实际上更大，因为只要夸克的内部组成发生变化，核炼金术甚至可以将中子转化为质子。这种变化是通过微弱的核力量实现的。弱核力也能改变轻子，但是夸克不能变成轻子，反之亦然。一种元素可以转化成另一种元素，这意味着原子内部有复杂的活动。夸克和轻子的变化也可能告诉我们，这些粒子内部有更小的结构。......