宇宙是一個複雜而精妙的地方。
我們可以輕鬆地穿過空氣，卻無法穿過牆壁。太陽將一種元素嬗變成另一種元素，為我們的星球沐浴溫暖和光明。無線電波將人類的聲音從月球表面傳回地球，而伽馬射線會對我們的DNA造成致命的損害。表面上看，這些截然不同的現象彼此無關，但物理學家們已經發現了一些原則，這些原則融合為一個崇高而簡潔的理論，可以解釋所有這一切以及更多。這個理論被稱為粒子物理學的標準模型，它概括了使牆壁感覺堅實的電磁力，控制太陽發電廠的核力，以及使現代通訊成為可能並威脅我們福祉的各種光波。
標準模型是有史以來最引人注目的成功理論之一。本質上，它假設存在兩種不可分割的物質粒子：夸克和輕子。各種型別的夸克構成質子和中子，最熟悉的輕子是電子。適當混合的夸克和輕子可以構成任何原子，並由此構成宇宙中任何不同型別的物質。這些物質的組成部分透過四種力結合在一起——兩種熟悉的力，引力和電磁力，以及不太熟悉的強核力和弱核力。一種或多種被稱為玻色子的粒子的交換介導了後三種力，但所有在微觀領域處理引力的嘗試都失敗了。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮支援我們屢獲殊榮的新聞報道，方式是 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
標準模型也留下了一些未解答的問題，例如：為什麼我們有四種力而不是其他數量？為什麼有兩種基本粒子而不是僅僅一種處理一切的粒子？
這些都是有趣的問題。然而，長期以來，另一個謎題引起了我和許多其他物理學家的注意。標準模型將夸克和輕子視為不可分割的。然而，令人震驚的是，各種線索暗示它們實際上是由更小的成分組成的。如果夸克和輕子根本不是基本的，並且實際上存在更小的粒子，那麼它們的存在將迫使我們對理論進行廣泛的修訂。正如在歐內斯特·盧瑟福於1911年發現原子結構之前核能是不可想象的一樣，揭開亞原子洋蔥的另一層肯定會揭示我們尚無法想象的現象。
解決這個問題需要科學家以極高的能量將粒子碰撞在一起。自從20世紀70年代觀察到夸克以來，我們一直缺乏可能使我們能夠窺視其內部的工具。但現在，位於日內瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）——最近發現了希格斯玻色子的證據，這是標準模型中最後一個未被記錄的粒子——正在加速，並且可能勝任這項任務。
世代差距
夸克和輕子結構的第一批線索來自對另一個——仍然未解決的——難題的研究，該難題與已發現的不同種類的夸克和輕子的數量有關。質子和中子由兩種型別的夸克組成，稱為上夸克和下夸克。上夸克的電荷為質子的+2/3，下夸克的電荷為質子的−1/3。雖然只有這兩種型別的夸克加上電子就足以構成宇宙的物質，但已經觀察到其他夸克。奇異夸克具有與下夸克相同的電荷，但它更重。底夸克是更重的版本。同樣，粲夸克是上夸克的較重表親，而超重頂夸克則構成了上夸克家族的完整組成。粒子物理學家已經觀察到所有這些夸克，但較重的四個夸克在不到一秒的時間內衰變為最輕的兩個。
電子也有重的、不穩定的表親，μ子和更重的τ輕子，它們的電荷都與電子相同。已知粒子動物園還包括三個中微子副本，所有這些中微子都超輕且電中性。
這種豐富的種類自然而然地導致物理學家提出疑問：鑑於上夸克、下夸克和電子是構建宇宙的唯一必要粒子，為什麼它們有這麼多表親？這個問題可以用諾貝爾獎獲得者物理學家I·I·拉比在得知μ子的發現時經常引用的俏皮話概括：“誰訂購了那個？”
科學家們著手解決粒子家族眾多的奧秘的一種方法是構建一個圖表，描繪所有已知基本粒子的特徵[見上方框]，類似於化學元素的週期表。週期表為物理學家提供了第一個暗示，即化學元素可能不是基本的，原子內部結構中的系統模式可能解釋了特定行和列中元素的相似性質。
夸克和輕子表有三列，稱為世代（這就是為什麼粒子多樣性的奧秘現在被稱為世代問題）。第一代，在最左邊，包括上夸克和下夸克以及電子和電子中微子——解釋我們熟悉的宇宙所需的一切。第二代包含相同粒子的稍微更重的版本；第三代擁有所有粒子中最重的。
標準模型將夸克和輕子視為點狀粒子，沒有任何內部結構。但是，表格內部的模式，就像化學週期表中的模式一樣，提出了這樣一種可能性，即世代之間的差異源於夸克和輕子內部更小的物質構件的配置。
20世紀初期，另一個可能與尋找夸克底層結構相關的歷史先例是放射性衰變的發現。通過當時不為人知的過程，一種元素可以嬗變成另一種元素。我們現在知道，透過改變原子核中質子和中子的數量，有可能實現中世紀鍊金術士的目標，並將鉛轉化為黃金。可能的嬗變範圍甚至更廣，因為核鍊金術甚至可以透過改變中子和質子構成夸克的身份，將中子轉化為質子（或反之亦然）。這種轉變是透過弱核力發生的，弱核力也可以嬗變輕子，儘管夸克不能轉化為輕子，反之亦然。正如一種元素轉化為另一種元素反映了原子複雜的內部運作一樣，夸克和輕子的蛻變可能提供關於這些粒子內部更精細細節的又一線索。
部分和粒子
已經出現了許多夸克和輕子的假設構件，每個都有不同的名稱，但術語“前子”已經作為所有這些構件的通用描述符而固定下來。在大多數情況下，相同的名稱適用於攜帶作用於這些物質粒子的力的粒子的組成部分。
作為一個例證，考慮一下1979年由當時在斯坦福線性加速器中心的Haim Harari和當時在伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的Michael A. Shupe獨立提出的一個直接模型，隨後在1981年由當時都在以色列雷霍沃特魏茨曼科學研究所的Harari和他的學生Nathan Seiberg擴充套件[見左側方框]。他們提出存在兩種前子，一種帶+1/3的電荷，另一種帶零電荷；此外，這些前子中的每一個都有一個帶相反電荷的反物質伴侶：分別為−1/3和零。這些前子是費米子——物質粒子——每個夸克和輕子都包含三種前子的獨特混合物。例如，兩個帶+1/3電荷的前子和一個帶零電荷的前子構成一個上夸克，而上夸克的反物質對應物包含兩個帶−1/3電荷的前子和一個帶零電荷的前子。同時，攜帶力的玻色子由獨特六前子組合構成。例如，帶正電的W玻色子，它攜帶作用於夸克和輕子的弱核力，有三個+1/3前子和三個零前子。
使用一系列合理的假設，Harari和Shupe假設了第一代所有粒子的前子成分。相同的構件也可以解釋膠子，即亞原子粒子，它介導強核力以將夸克結合在一起，形成質子和中子，以及其他攜帶力的玻色子。
在制定已知夸克、輕子和玻色子的任何底層結構時，訣竅在於解釋這些粒子和力的無數相互作用。事實上，前子可以為描述亞原子過程提供一種合理的語言。例如，考慮一個上夸克與一個反物質下夸克碰撞，產生一個帶正電的W玻色子，該玻色子衰變為一個反物質電子，或正電子，和一個電子中微子。在Harari和Shupe設計的前子模型中，入射夸克，每個夸克都有三個前子，在碰撞中結合起來產生一個W玻色子，現在包含所有三個+1/3電荷和所有三個零電荷。然後，W玻色子分裂開來，噴射出相同六個前子的不同配置：一個正電子（帶有三個+1/3電荷）和一個電子中微子（帶有三個零電荷）。
到目前為止，我討論了可以稱之為夸克和輕子命理學的東西。這只是一種計數遊戲，就像平衡化學或數學方程式一樣，儘管這是一種嚴肅且可行的遊戲。為了成功，前子模型必須用少量的構件和一些控制規則來解釋夸克和輕子。畢竟，希望是找到一個潛在的秩序，將表面上不同的粒子統一起來，而不是一個臨時的定義系統，該系統逐個解釋它們的屬性。在Harari-Shupe模型及其成功的競爭對手中，前子已經實現了這種解釋。
然而，您可能已經注意到，到目前為止的討論只包括第一代夸克和輕子。當我們把注意力轉向第二代和第三代時，事情變得更加模糊。在Harari和Shupe提出的模型中，更高世代被假設為第一代配置的激發態。正如電子在原子中從一個能級躍遷到另一個能級一樣，人們認為某種未知的機制以允許從相同成分產生多粒子世代的方式將前子結合在一起。
如果這種解釋看起來有點像揮手示意，那確實如此。許多細節尚未解決。最初提出夸克概念的理論研究也具有類似的複雜程度。直到後來，才從數學上描述了將夸克結合成質子和中子的強力。儘管如此，世代問題仍然明顯無法解釋，因此一些物理學家提出了競爭模型，其中包括一個模型，其中一個前子攜帶世代數以及一種稱為超色的新電荷，超色將前子繫結在夸克和輕子內部。
雖然我已經描述了一個單一的前子理論，但不要被誤導認為它是唯一的一個。我的理論同事非常聰明，非常有創造力。實際上，已經撰寫了數百篇論文，提出了其他前子模型，儘管這些模型通常是少量基本主題的變體。有些模型的前子帶有1/6電荷，而不是Harari和Shupe模型中的1/3。另一些模型在夸克和輕子中有五個前子，而不是三個。還有一些模型提出了費米子前子和玻色子前子的混合，或者玻色子的前子含量與對面頁底部表格中列出的不同。可能性實際上非常豐富。我們物理學家需要更多的資料來幫助淘汰替代方案。
除了對最小的已知物質碎片可能仍然有更小的碎片這一概念的內在迷戀之外，我們中的許多人對前子感興趣還有另一個原因。如果它們存在，它們可能會對粒子物理學中另一個突出的謎團有所啟發。標準模型假設希格斯場是基本粒子質量的來源。大質量粒子在穿過這個普遍存在的場時會感受到某種阻力，而無質量粒子（如光子）則不受干擾地滑過。如果構成第二代和第三代的前子與第一代相同，那麼大概是關於前子的某些東西使更高世代粒子比第一代更多地與希格斯場相互作用，從而賦予更高世代更大的質量。雖然希格斯機制可以解釋粒子的質量，但它無法預測它們。
在發明更深入的理論之前，亞原子粒子的質量只能透過逐個測量來確定。大概透過理解夸克和輕子的結構以及世代之間的差異，我們將更多地瞭解希格斯機制。
坑窪和彎路
我應該注意到，前子理論並非沒有問題。首先，所有看到前子的實驗努力都失敗了。這種失敗令人失望，但可能僅僅源於裝置不足。拋開實驗問題不談，一些擔憂是理論本身固有的。這是“禁閉理論”的自然特徵，在這種情況下之所以如此稱呼，是因為前子被禁閉在夸克和輕子內部，相關的質量與禁閉尺寸成反比。由於夸克和輕子比質子小得多，因此這條規則暗示，由禁閉前子製成的夸克將比質子重得多，而質子本身是由夸克製成的。質子整體將小於其各部分的總和——實際上，甚至小於各個部分本身。
儘管這個問題似乎無法克服，但物理學家設法繞過了與玻色子相關的類似問題。例如，一個夸克和一個反夸克可以構成一個稱為π介子的玻色子，其中禁閉難題似乎也構成了一個問題。然而，使用1961年由當時在歐洲核子研究中心的傑弗裡·戈德斯通勾勒出的一個想法，理論家們長期以來已經意識到，底層理論中的對稱性可以克服這種困難。因此，π介子的輕盈實際上並不令人驚訝。不幸的是，這種方法僅適用於玻色子，而不適用於費米子，如夸克。然而，在1979年，荷蘭烏得勒支大學的傑拉德·特·胡夫特提出了一種相關的方法，該方法確實適用於費米子。特·胡夫特的思想是否在實際粒子中得到證實仍然不清楚，但他的思想至少表明，夸克質量的理論障礙並不像最初看起來那麼可怕。
前子並不是物理學家為解決世代問題而探索的唯一途徑。一個突出的替代方案是超弦的想法，其中物質的最終構件不是亞原子粒子，而是微小的振動弦。比喻來說，標準模型中的每個粒子都可以被認為是演奏不同音符的弦，而整個現實就像一個演奏宏偉宇宙交響曲的超絃樂團。令人高興的是，前子和超弦可以友好地共存，因為超弦的尺寸尺度比夸克和輕子的尺寸尺度小得多。如果超弦存在，它們很可能構成不是夸克和輕子，而是前子，甚至前-前子或前-前-前子，這取決於存在多少層未被發現的物質洋蔥層。
在2005年，澳大利亞阿德萊德大學的桑丹斯·比爾森-湯普森設計了一種將前子描述為時空扭曲辮子的方法，這是一種替代前子作為普通粒子（儘管是未被發現的粒子）的想法。這個模型仍處於起步階段，但物理學家正在探索其含義，尤其因為它為將長期尋求的引力量子理論整合到標準模型中提供了一條可能的途徑。
前子布丁中的證明
物理學最終是一門實驗科學。無論理論多麼聰明，如果它不能與測量結果相符，那就是錯誤的。那麼實驗學家可以做些什麼來證明或證偽前子的存在呢？標準模型成功地描述了宇宙的夸克、輕子和玻色子，而沒有呼叫前子，因此物理學家必須尋找與標準模型預測的細微偏差——現代物理學大廈中的微小裂縫。該模型中有兩個方面看起來特別有吸引力，可以更仔細地探索。
第一個是尺寸。標準模型將夸克和輕子視為點狀粒子——即尺寸為零且沒有內部結構的粒子。發現這些粒子的非零尺寸將為前子提供有力的證據。測量表明，質子和中子的半徑約為10
−15 米。過去和現在世界領先的粒子對撞機的實驗已經搜尋了夸克或輕子也具有可測量尺寸的證據。到目前為止，所有資料都與零尺寸或非零尺寸（小到質子尺寸的約0.0002至0.001倍）完全一致。為了區分這兩種可能性（零尺寸與非常非常小的尺寸），我們需要進行更精確的測量。大型強子對撞機是一臺發現機器，其當前碰撞產生的海量資料以及計劃中的加速器能量升級是我們有望更多地瞭解夸克和輕子尺寸的兩種方式。[中斷]
證明粒子亞結構的存在的另一種方法——至少對於輕子而言——是研究緊密相關的自旋和磁矩概念。用一些詩意的許可，電子可以被認為是一個旋轉的球，物理學家用自旋量子數來量化該屬性。像所有費米子一樣，電子據說具有自旋1/2。由於電子帶電，自旋和電荷的組合賦予了磁矩，這只是一種花哨的說法，即它將電子變成了一個熟悉的磁鐵，帶有北極和南極。假設輕子是具有自旋1/2的點狀粒子，它應該具有單一且特定的磁矩。因此，如果對電子或μ子的測量結果顯示磁矩與預測值不同，那麼該結果將強烈暗示這些粒子不是點狀的，因此可能由前子組成。
物理學家早就知道，電子和μ子的磁矩都與點狀粒子的磁矩略有不同。然而，這種微小的差異與前子無關，實際上可以在標準模型中解釋。每個輕子都被所謂的虛粒子的瞬逝雲包圍，這些虛粒子閃爍不定地出現和消失。由於這朵雲具有尺寸，因此它會稍微改變輕子的磁矩——大約千分之一。前子的影響會更小，但可能是可檢測到的。費米實驗室的μ子g-2實驗即將進行的新測量將比迄今為止實現的測量精確四倍以上。
物理學家還深入研究了對撞機資料，以尋找如果前子存在並且更高世代的粒子只是第一代的激發態時可以預期的粒子衰變。一個這樣的過程是μ子衰變為電子和光子。尚未觀察到這種衰變，如果它發生，則發生的頻率低於約千億分之一。
迄今為止進行的所有直接測量都與夸克和輕子確實是點狀的，自旋為1/2的假設相符。對於我們這些認為觀察到的亞原子粒子世代是未被發現的物理學的誘人暗示的人來說，過去的幾十年令人沮喪。但現在我們有真正的機會去探索新的領域。
2011年，大型強子對撞機以7萬億電子伏特（7 TeV）的能量碰撞質子束，是之前世界紀錄（由費米實驗室的Tevatron保持了四分之一多個世紀）的3.5倍。在那一年，大型強子對撞機從碰撞中交付的資料量是Tevatron在其整個28年執行生涯中所交付資料量的一半。2012年，歐洲核子研究中心將大型強子對撞機的能量提高到8 TeV，預計在啟動為期一年半的臨時停機以進行維修和改進之前，資料收集量將增加四倍。大型強子對撞機應在2014年末或2015年初恢復執行，以13或14 TeV和更快的速度碰撞質子束。
2012年能量的適度增加可能看起來只是一個小小的調整，但對於前子搜尋來說意義重大。光束能量的微小變化將使最高能量下記錄的碰撞次數增加五倍，最高能量探測最小尺寸，而這些正是我們需要檢查以尋找前子證據的事件型別。2014年和2015年的升級將使能力得到驚人的提升。
除了大型強子對撞機之外，費米實驗室的研究計劃正在進行根本性的調整，這將包括搜尋前子直接證據的新能力。自從Tevatron於2011年退役以來，費米實驗室的加速器不再走在粒子物理學的能量前沿。相反，費米實驗室正在向強度前沿推進，以前所未有的精度探索罕見現象。與前子搜尋最相關的兩個實驗將測量μ子的磁矩，並尋找μ子衰變為電子和光子的過程。
尋找夸克和輕子內部結構的前景比長期以來更加光明。當您閱讀本文時，我和我的同事正在梳理已經獲得的大量大型強子對撞機資料。我們正在尋找夸克和輕子具有非零尺寸的證據。我們正在尋找第四代夸克和輕子，以及一些證據表明攜帶力的粒子也具有世代——即介導弱核力的W和Z玻色子具有更重的表親。
未來幾年將標誌著重新開始深入亞原子領域的開始，這是一段科學家們上次遇到還是在25多年前的旅程，當時Tevatron開始執行。就像昔日無畏的冒險家一樣，物理學家正在勇往直前，在量子前沿開闢道路。