科學人 發行日期:2013/1 刊號:131
分享| 分享至新浪微博 分享至facebook 分享至PLURK 分享至twitter

夸克之內 別有洞天?

撰文/林肯(Don Lincoln) 翻譯/甘錫安

 如果在目前已知最小的物質組成粒子內,還有尚未發現的粒子世界,物理學會發生什麼改變?

重點提要
■1869年,門得列夫(Dmitri Mendeleev)發現化學元素的性質有一定的重複模式,因此創立了元素週期表。物理學家後來認為,這種重複模式源自原子的結構。今天在粒子物理學中,或許也會出現相同的狀況。
■目前已知的12種基本粒子也有重複模式,因此可能並非真正基本,而是包含更小的粒子。物理學家暫時將這種粒子稱為「前子」(preon)。
■ 但是,其他證據並不支持這種可能性。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。

宇宙是個既複雜又難以理解的地方。我們在空氣中行動自如,但沒辦法穿牆而過。太陽將一種元素轉變成另一種元素,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造成無法復原的損害。從表面上看來,這些現象之間似乎互不相干,但是物理學家發現了若干原理,再整合成極度簡潔的理論,能夠解釋包含這些在內的許多現象。這項理論稱為粒子物理學的「標準模型」,涵括了使牆壁形成固體的電磁力、使太陽放射出光和熱的核力,以及現代通訊賴以運作和可能威脅人類健康的各種光波。

標準模型是史上發展得最成功的一項理論。本質上,這個模型假設無法再加以分割的物質粒子有兩種,分別是夸克和輕子。不同種類的夸克構成了質子和中子,最常見的輕子則是電子。適當比例的夸克和輕子可構成各種原子,再進一步構成宇宙中的各種物質。這些構成物質的粒子由四種力結合在一起,分別是大眾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。

標準模型還有其他問題無法解答,例如:力為什麼有四種,而不是三種或五種?基本粒子為什麼分成兩類,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。標準模型把夸克和輕子視為不可分割的粒子,但令人驚訝的是,有許多跡象顯示,它們可能是由更小的粒子所構成。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年發現原子結構之前,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部的工具。但現在,歐洲核子研究組織(CERN)的大強子對撞機(LHC)正在加速運轉,將可協助我們完成這項任務。LHC日前已經發現重要的證據,證明標準模型中最後一個尚未找到的粒子——希格斯玻色子確實存在。

1 2 3 4