大型機器，微小粒子。 1995年，當位於費米實驗室的這個巨型探測器證實了頂夸克的預測時，“標準模型”理論家們欣喜若狂。現在可能還有更多。 |
粒子物理學家再次處於緊張不安的狀態。德國漢堡實驗室的兩個獨立小組對一種奇異新粒子的初步觀測，在研究人員中引起了極大的興奮——儘管其中夾雜著謹慎。在過去的二十年中，實驗學家僅僅證實了標準模型的預測——該模型描述了除引力之外的所有粒子和力的行為——而不是揭示任何真正意想不到的現象。
當伊利諾伊州巴達維亞附近的費米實驗室的粒子加速器研究人員在1995年證實了頂夸克的存在時，對於許多旁觀者來說，這一事件的戲劇性堪比前蘇聯的選舉之夜。夸克是構成質子和中子的基本單元。標準模型要求頂夸克存在——以及之前檢測到的其他五個夸克——很少有理論家真正懷疑自然界會不遵守這一要求。
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一年前，費米實驗室出現了更耐人尋味的結果。對質子之間一些異常碰撞的初步分析表明，它們的組成夸克可能由更小、更基本的實體組成——這直接違反了標準模型。然而，在隨後的分析中，“亞夸克”消失了；理論家們表明，透過微小的調整，標準模型可以很容易地解釋這些資料。
輕夸克的軌跡？ ZEUS探測器去年秋天開始顯示出暗示輕夸克存在的結果。 |
許多物理學家祈禱在德國電子同步加速器（DESY，發音為“daisy”）的新資料中不會發生同樣的事情。DESY擁有強子電子環裝置（HERA），這是一個將質子與正電子（電子的反物質版本）碰撞的加速器。去年秋天，執行HERA兩個探測器（稱為ZEUS）的團隊獨立地注意到，一些碰撞產生了奇怪的結果：正電子似乎與碰撞中產生的夸克融合，從而（即使在極短的瞬間）形成一種全新的粒子。
儘管這兩個結果本身在統計上都不顯著，但它們加在一起似乎足以引起更廣泛的群體的注意。事實上，如果這個發現成立，那將是意義非凡的。原子由兩種基本粒子組成：輕子（包括電子和正電子）和夸克。HERA的結果提供了粒子結合這兩類粒子特徵的第一個證據——輕夸克。
這兩個團隊向期刊《Zeitschrift fuer Physik C》提交了單獨的論文。DESY的一位發言人表示，這些論文剛剛被接受，應該很快在同一期中發表。與此同時，為了回應不斷湧現的傳言，HERA調查人員在2月下旬在網際網路上釋出了他們的報告的重印本。已經出現了數十篇未經審查的、推測HERA資料的論文。
某些大統一理論（稱為GUT）預測了輕夸克；它們假設電弱力（解釋電磁和核衰變）和強力（將夸克結合在一起）之間存在潛在的統一性。但倫敦大學學院的大衛·米勒指出，如果輕夸克確實存在於HERA達到的能量水平，宇宙中所有的質子現在都已經衰變了。
輕夸克也出現在某些版本的超對稱中；這種備受喜愛但仍未得到證實的理論假設了傳遞力的粒子和承載質量的粒子之間存在潛在的統一性。不幸的是，HERA的結果將支援一個相當笨拙且因此不受歡迎的超對稱版本。理論家們還提出，HERA的觀測結果可能來自亞夸克，或者來自一種在高能量下耦合夸克和正電子的新力。
HERA的研究人員預計，到今年年底，他們將有足夠多的額外資料來排除或證實其中的一些假設。ZEUS團隊的發言人艾倫·考德威爾表示，有1%的可能性，“輕夸克”將被證明是標準模型可以容納的統計波動。儘管這個機率似乎很小，但他指出，考慮到類似觀測的歷史，它仍然必須被認為是可能性最大的結果。
新澤西州普林斯頓高階研究所的弗蘭克·維爾切克對HERA的報告足夠重視，以至於與人合著了一篇關於其理論意義的論文。但他表示，考慮到先前實驗施加的所有其他約束，這些意義所引起的解釋甚至會讓粒子物理學家都覺得過於奇怪而難以置信。“無論什麼是真的，都對物理學有好處，”威爾切克說。“但這不是任何人想要的結果。”37歲的考德威爾自職業生涯以來一直“與標準模型共存”，他對此表示反對。他指出，他這一代人從未體驗過完全新的、意想不到的發現的刺激。“讓我們希望這一次不會消失，”他說。