科學人 發行日期:2013/1 刊號:131
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夸克之內 別有洞天?

撰文/林肯(Don Lincoln) 翻譯/甘錫安

世代差異
夸克和輕子具有內部結構的初步線索,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目有關。質子和中子由「上夸克」和「下夸克」這兩種夸克構成,上夸克具有質子的+2/3單位電荷,下夸克則具有質子的-1/3單位電荷。雖然只要有這兩種夸克和電子,就足以構成宇宙中所有物質,我們仍觀察到有其他夸克存在。奇夸克的電荷和下夸克相同,但質量較大,底夸克的質量則比奇夸克更大。同樣地,魅夸克的質量大於上夸克,而質量特大的頂夸克則是夸克家族的最後一個成員。粒子物理學家已經觀察到這些夸克,但較重的四種夸克會在幾分之一秒內衰變成較輕的兩種。

電子也有質量較大但較不穩定的表親,分別是緲子和質量更大的濤子,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成整個宇宙,它們為什麼還有那麼多表親?正如曾獲諾貝爾獎的物理學家拉比(I. I. Rabi)發現緲子時的名言:「是誰下令這麼做的?」

科學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〉),方法類似元素週期表。週期表讓物理學家想到,化學元素可能不是最基本的物質單位。某一行或列中的元素具有類似性質,可能是因為原子內部結構具有某種規律。

夸克和輕子表共有三行,稱為三個「世代」(因此粒子數目眾多之謎現在稱為「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,也就是構成我們熟知宇宙的所有粒子。第二代包括前一代粒子質量較大的表親,第三代則是質量最大的表親。

標準模型把夸克和輕子視為點狀粒子,沒有內部結構。但這個表的模式與化學週期表如出一轍,讓人聯想到世代間的差異可能源自夸克和輕子內部組成單位的組態不同。

20世紀初還有一項可能與尋找夸克內部結構有關的歷史事件,就是發現放射性衰變。一種元素經由當時還不了解的某種過程,變化成另一種元素。現在我們知道,改變原子核中的質子和中子數目,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。可能發生的變化其實範圍更大,因為只要改變內部的組成夸克種類,核子煉金術甚至能將中子變成質子。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。一種元素能夠轉變成另一種元素,代表原子內部有複雜的活動,夸克和輕子的變化可能也告訴我們,這些粒子內部具有更微小的結構。

夸克和輕子的生命密碼
關於夸克和輕子的組成單位,目前已有許多假設提出,每種假設的名稱各不相同,不過「前子」(preon)已經是各種假設的通用名稱。大多數狀況下,這個名稱是用來稱呼傳遞作用於這些物質微點的力的粒子。

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