夸克之內別有洞天

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，但卻沒辦法穿墻而過；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，伽馬射線可能對我們的DNA造成無法復原的損害。表面上看，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，這便是量子物理學的標準模型。

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。

在標準模型中，有一個謎團一直吸引著物理學家的注意。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，許多跡象顯示它們可能是由更小的粒子構成。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。

要解決這個問題，必須讓粒子以極高的能量相撞。從20世紀70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，歐洲核子研究中心的LHC正在加速運轉，將協助我們完成這項任務。目前，LHC已經發現重要的證據，證明希格斯粒子確實存在。

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的數目有關。質子和中子由上夸克和下夸克這兩種夸克構成，而且只要有這兩種夸克和電子，就足以構成宇宙中的所有物質。然而，我們仍然觀察到有其他夸克的存在。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，魅夸克的質量大于上夸克，而質量特大的頂夸克則是夸克家族的最后一個成員。

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，它們為什么還有那么多表親？

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，方法類似元素周期表。夸克和輕子表共有三行，稱為三個“世代”。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”。這個表的模式與化學周期表如出一轍，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。

在20世紀初，還有一件可能與尋找夸克內部結構有關的歷史事件，那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，改變原子核中質子和中子的數目，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范圍更大，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。這種變化是通過弱核力進行的。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，這些粒子內部具有更微小的結構……