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

為了詳細說明,我們來看看1979年由當時任職於美國史丹佛線性加速器中心的哈拉瑞(Haim Harari)和伊利諾大學香檳分校的舒普(Michael A. Shupe)分別提出,並於1981年由當時均在以色列魏茲曼科學研究所的哈拉瑞和學生賽伯格(Nathan Seiberg)加以擴充的模型(參見右方〈粒子製作手冊〉)。他們假設前子有兩種,一種具有+1/3單位電荷,另一種的電荷為0。此外,兩種前子各有反物質粒子,電荷與其相反,分別是-1/3和0。這些前子是費米子(物質粒子),而夸克和輕子則由組合各不相同的三個前子構成。舉例來說,兩個+1/3單位電荷和一個0電荷的前子構成一個上夸克,而上夸克的反物質粒子則由兩個-1/3單位電荷和一個0電荷的前子構成。另外,傳遞力的玻色子則由組合各不相同的六個前子組成。舉例來說,帶有正電荷、負責傳遞作用於夸克和輕子的弱核力的W玻色子,就是由三個+1/3前子和三個0前子組成。

哈拉瑞和舒普運用一連串合理假設,推測出第一代中所有粒子的前子組成內容。負責傳遞強核力,使夸克黏結在質子和中子內部的次原子粒子——膠子,以及其他傳遞力的玻色子,也是由這些組成單位構成。

眾所周知的夸克、輕子和玻色子的內部組成方式,在這些粒子與力之間形成無數的交互作用。前子確實可提供一種易於理解的語言,用來描述次原子過程。舉例來說,假設一個上夸克和反物質下夸克相撞,產生帶正電荷的W玻色子,再衰變成反電子(又稱為正子)和一個電子微中子。在哈拉瑞和舒普提出的前子模型中,每個夸克包含三個前子,在碰撞中結合,產生一個W玻色子,因此每個W玻色子包含三個+1/3單位電荷和三個0電荷粒子。W玻色子接著又分裂,這六個前子又分成不同的組合:一個正子(三個+1/3單位電荷粒子)和一個電子微中子(三個0電荷粒子)。

目前為止討論的內容,或許可以稱為夸克和輕子的生命密碼,都是些加加減減的計數遊戲,就像使化學式或數學式兩邊相等一樣,只是比較認真且可行。要真正站穩腳步,前子模型必須能夠用少數的組成單位和幾條掌控規則來解釋夸克和輕子。畢竟,我們是希望找出更底層的架構,將表面上看來不同的粒子加以統整,而不是依據每一項特性特別訂立一套定義。不論是哈拉瑞與舒普的模型,還是其他廣受認可的前子理論,都採取了這種解釋方式。

然而,你或許已經注意到,目前為止討論的內容只涵括第一代的夸克和輕子。當我們把目光轉移到第二和第三代時,狀況就變複雜了。在哈拉瑞和舒普的模型中,把較高的世代假設為第一代組態的激發態。如同電子由原子中的某一能階跳躍到另一能階,可能有某種不明機制將前子結合在一起,因此能以相同的組成產生多粒子的世代。

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