【科幻科學報 No.660】夸克之內 別有洞天？─科幻科學報─智邦公益電子報
enews.url.com.tw · August 01,2017最ＩＮ話題 ■ 夸克之內 別有洞天？
▌文／林肯（Don Lincoln）
▌譯／甘錫安
▌提供／科學人
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。
世代差異
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數目有關。質子和中子由「上夸克」和「下夸克」這兩種夸克構成，上夸克具有質子的+2/3單位電荷，下夸克則具有質子的-1/3單位電荷。雖然只要有這兩種夸克和電子，就足以構成宇宙中所有物質，我們仍觀察到有其他夸克存在。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。同樣地，魅夸克的質量大於上夸克，而質量特大的頂夸克則是夸克家族的最後一個成員。粒子物理學家已經觀察到這些夸克，但較重的四種夸克會在幾分之一秒內衰變成較輕的兩種。
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，它們為什麼還有那麼多表親？正如曾獲諾貝爾獎的物理學家拉比（I. I. Rabi）發現緲子時的名言：「是誰下令這麼做的？」
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，方法類似元素週期表。週期表讓物理學家想到，化學元素可能不是最基本的物質單位。某一行或列中的元素具有類似性質，可能是因為原子內部結構具有某種規律。
夸克和輕子表共有三行，稱為三個「世代」（因此粒子數目眾多之謎現在稱為「世代問題」）。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。
標準模型把夸克和輕子視為點狀粒子，沒有內部結構。但這個表的模式與化學週期表如出一轍，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。
20世紀初還有一項可能與尋找夸克內部結構有關的歷史事件，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，改變原子核中的質子和中子數目，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範圍更大，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。這種變化是透過弱核力進行。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，代表原子內部有複雜的活動，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。
夸克和輕子的生命密碼
關於夸克和輕子的組成單位，目前已有許多假設提出，每種假設的名稱各不相同，不過「前子」（preon）已經是各種假設的通用名稱。大多數狀況下，這個名稱是用來稱呼傳遞作用於這些物質微點的力的粒子。
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。
這個解釋似乎有點語焉不詳，的確如此，其中很多細節還沒有研究清楚。首先提出夸克概念的理論性研究，複雜程度也差不多如此。以數學方式描述使夸克結合成質子和中子的強核力，則是後來才成功。不過世代問題仍然懸而未決，因此有幾位物理學家提出了其他模型。其中一個模型假設有一種前子帶有世代數以及稱為超色（hypercolor）的新電荷，這種電荷使前子結合成夸克和輕子。
儘管這裡只介紹一種前子理論，但別以為前子理論只有一種。理論物理學家相當聰明，也很有創意。目前已有數百篇論文提出各種前子模型，但多半是把幾個基本構想加以修改而成。有些模型假設前子具有1/6單位電荷，而非哈拉瑞與舒普模型的1/3。有些模型則認為夸克和輕子包含五個前子，而不是三個。另外還有些模型提出費米子前子和玻色子前子，或是認為玻色子的前子組成內容與〈粒子製作手冊〉的表格不同。可能性事實上相當多，我們還需要更多資料，才能去蕪存菁。
目前已知最小的物質粒子內部可能還有更小的粒子，這個概念本身就十分引人入勝，此外，許多物理學家對前子有興趣還有另一個原因。如果前子確實存在，我們說不定可從中發掘更深奧的東西，探討粒子物理學中另一個謎團。標準模型假設希格斯場是基本粒子質量的來源。具有質量的粒子在這個無所不在的場中移動時，會感受到某種拉力，而光子這類不具質量的粒子則可不受牽制地自由運動。如果構成第二和第三代的前子與第一代的前子相同，則很可能是前子具有某種性質，使較高世代的粒子與希格斯場的交互作用比第一代更強，因此世代越高、質量隨之越大。相較之下，希格斯機制雖然可以讓粒子具有質量，卻沒辦法加以預測。
在更深入的理論問世前，次原子粒子的質量仍然只能個別測定。或許在了解夸克和輕子的結構和世代間為何有差別之後，我們就能更進一步了解希格斯機制。
局限難題
這裡必須指出的是，前子理論並非毫無瑕疵。首先，目前觀測前子的所有實驗都以失敗告終。失敗固然令人失望，但很可能只是因為實驗設備不足。另外，這個理論本身也有些令人擔心之處。它是「局限理論」的特徵，我們採用這個名稱，是因為前子被局限在夸克和輕子內，相關的質量與局限大小成反比。因為夸克和輕子比質子小得多，依據這個規則，由受局限的前子構成的夸克，質量會比由夸克構成的質子大得多。因此，質子整體將比各部份質量的總和來得輕，甚至比個別部份更輕。
這個問題雖然似乎不可能克服，物理學家仍然提出了與玻色子有關的類似構想。舉例來說，夸克和反夸克可構成稱為π介子的玻色子，局限難題在其中似乎同樣是個問題。然而，運用1961年由當時任職於CERN的高德史東（Jeffrey Goldstone）提出的概念，理論科學家早已了解，基礎理論中的對稱可以克服這個困難。因此，π介子會特別輕，其實並不令人意外。但可惜的是，這種解釋方式僅適用於玻色子，而不適用於夸克等費米子。不過到了1979年，荷蘭烏特列茲大學的特霍夫特（Gerard't Hooft）提出了適用於費米子的類似方式。特霍夫特的概念是否確實適用於真實粒子，目前還不明朗，但他的構想至少證明，關於夸克質量的理論障礙已經不再那麼難以撼動。
在物理學家試圖解決世代問題的過程中，前子不是他們唯一探索過的道路，超弦理論就是相當重要的一項構想。在超弦理論中，物質的終極組成單位不是次原子粒子，而是極為微小的震盪弦，標準模型中的每個粒子都可視為發出不同聲音的弦，所有現實則是超弦組成的管絃樂團，演奏出雄渾壯闊的宇宙交響曲。幸運的是，前子和超弦兩者可以和諧共存，因為超弦的尺寸遠小於夸克和輕子。如果超弦確實存在，它們不僅可以構成夸克和輕子，還能構成前子、甚至前前子或前前前子，端賴物質內部還有多少層未發現的世界而定。
前子構想把前子視為尚未發現的一般粒子，然而南澳洲阿得雷德大學的畢爾森–湯普森（Sundance Bilson-Thompson）於2005年提出另外一種方式，把前子描述成絞結在一起的時空。這個模型目前仍處於萌芽階段，但物理學家已經開始探討它的深層意義，特別是因為它提供了一種可能的途徑，可把科學家尋求已久的重力量子論和標準模型整合起來。
如何證明前子存在？
物理學畢竟是實驗的科學。一個理論不管多麼巧妙，如果與測量結果不符，就一定不正確。所以，實驗科學家該如何證明前子確實存在或不存在？標準模型不需要前子，就能完整描述宇宙中的夸克、輕子和玻色子，所以物理學家必須找出標準模型預測中的些微誤差——也就是近代物理學這棟大樓的細小裂縫。這個模型有兩個面向看來格外有吸引力，值得我們深入探討。
首先是大小。標準模型把夸克和輕子視為點狀，也就是說，這些粒子的大小為0，不具內部結構。證明這些粒子的大小不為0，就能為前子的存在提供有力的證據。測量結果顯示，質子和中子的半徑大約是10-15公尺。從以前到現在，在全世界最先進的粒子對撞機進行的實驗都一直在尋找證據，試圖證明夸克或輕子具有可測量的大小，但目前為止得到的數據都顯示大小為0，即使不為0，也只有質子大小的0.0002~0.001倍。要區別這兩種可能性（大小為0與不為0但極小），我們必須更精確地測量。LHC是用來探索的機器，藉由目前撞擊取得的大量資料以及預定執行的加速器能量提升，我們將可更進一步了解夸克和輕子的大小。
證明輕子等粒子具有次結構的另一種方式，是研究與其緊密相關的自旋和磁矩概念。我們可以把電子想像成旋轉的球，物理學家把這項特性量化成自旋量子數；電子的自旋為1/2，和所有費米子相同。電子帶有電荷，因此自旋與電荷結合後可形成磁矩，我們可把旋轉的電子視為具有南北磁極的磁鐵。假設輕子是自旋為1/2的點狀粒子，則它應該只有單一特定磁矩。所以，如果電子或緲子的磁矩測量結果與預測不符，就代表這類粒子不是點狀，可能是由前子構成。
物理學家早已知道，電子和緲子的磁矩確實和點狀粒子不大相同。不過，這個微小差異和前子無關，而且或許可用標準模型加以解釋。每個輕子周圍都有「虛粒子」形成的稀薄雲霧，這片雲霧忽隱忽現。因為這片雲霧的大小不為0，所以會對輕子的磁矩造成極小的影響，影響程度大約只有1/1000。前子的影響應該更小，但仍然偵測得到。費米實驗室的緲子g-2實驗即將產生的測量結果，精確度將比現有資料高出四倍以上。
物理學家也在對撞機資料中努力爬梳，尋找是否有粒子衰變現象，例如緲子衰變成電子和光子，以便證明前子存在以及較高世代粒子是第一代粒子的激發態。這類衰變現象目前尚未發現，即使真的曾經發生，其機率也低於千億分之一。
現有的直接測量結果，全部都符合夸克和輕子為點狀、且自旋為1/2的假設。對於認為已觀察到的次原子粒子蘊含著尚未發現的物理現象的科學家而言，過去數十年相當令人洩氣，但現在我們已經獲得探索新領域的大好機會。
2011年，LHC讓質子束以7兆電子伏特（7TeV）的能量對撞，是先前世界紀錄的3.5倍（由費米實驗室的正負質子對撞機在將近30年前所創）。LHC在2011這一年內撞擊產生的資料，是正負質子對撞機28年運作期間全部資料的一半。2012年，CERN將LHC的能量提高到8TeV，在進行維修改善工作而暫時停機一年半之前，所得的資料預計將可達到四倍之多。LHC預計將在2014年年底或2015年年初恢復運轉，讓質子束以13或14TeV能量對撞，運作步調也會加快許多。
2012年的能量提升不多，應該算是小幅調整，但對尋找前子的工作而言，意義相當重大。粒子束能量只要改變少許，能量最大的碰撞次數就會提高到五倍之多。這類碰撞不僅可探查到最小的尺寸，也是我們尋找前子存在證據所需的事件。2014年和2015年的能量提升，更可大幅提升探索能力。
除了LHC之外，費米實驗室的研究計畫正在進行澈底改造，把尋找前子存在直接證據的功能包含進去。正負質子對撞機於2011年停止運轉之後，費米實驗室的加速器就不再挑戰粒子物理學的能量極限，費米實驗室也轉而挑戰強度極限，以前所未有的精確性探究罕見現象。與尋找前子關係最密切的兩項實驗將測定緲子的磁矩，並在緲子衰變成電子和光子時搜尋出來。
夸克和輕子內部結構的探索歷經相當長的黑暗期，未來將更加光明。你閱讀這篇文章時，我們正在爬梳已經取得的大量LHC資料。我們在搜尋夸克和輕子大小不為0的證據，我們在尋找第四代的夸克和輕子，以及傳遞力的粒子也有不同世代的證據——是否傳遞弱核力的W和Z玻色子也有質量較大的表親？
未來幾年，我們將在次原子領域進行新的探索，與將近30年前正負質子對撞機開始運轉時的科學家踏上同樣的旅程。如同歷史上那些無畏的探險家，物理學家將勇往直前，在量子國度留下傲人的足跡。
科學小視窗 ■ 最亮彗星 今年底造訪
▌文／科科報編輯小組
天文學家預期，今年將有一顆亮度非常亮的彗星造訪太陽系，在夜晚不僅亮度比月亮還亮，在白天也可直接目擊。
根據外電報導，這顆名為ISON的彗星預計今年11到12月會飛向太陽，北半球民眾將可看到此天文奇觀，這顆彗星的亮度是百年來最亮。
這將是ISON首次造訪太陽系，也可能是唯一的一次，目前科學家研判它的飛行軌道會直衝太陽。它可能源自太陽系外圍，若它沒撞上太陽，需要數千到百萬年後才會再造訪太陽系。
