11個物理難題，11種基本粒子

暗物質是什麼？引力又是什麼？為什麼宇宙如此均勻？每一個難題都會對應一個新的粒子。

在20世紀30年代後期，諾貝爾物理學獎獲得者Isidor Rabi獲悉存在一種較重版本的電子時，他問道：「這是誰下的訂單？」。四分之三個世紀以來，同樣的問題他可以問很多次。我們現在知道，Rabi的不速之客，μ輕子，是類電子粒子家族的三個成員之一，而成員間的區別僅在於質量的不同。

事情還沒有結束。物質及其相互作用的標準模型依賴於一整套粒子，其中有的為人們熟悉，有的則較為陌生。瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心的大型強子對撞機（LHC），正在準備第三期的質子對撞實驗。LHC正在尋找標準模型預言的希格斯玻色子（質量的賦予者）存在的證據。

除此之外，還有很多有待發現的粒子。標準模型留下了許多懸而未決的問題。為什麼在我們的宇宙中，物質的含量遠遠超過反物質？引力的本質是什麼？把星系拉在一起的「暗物質」是什麼？為了回答這樣的問題，物理學家一次又一次採用相同的權宜之計：發明一種新的粒子。

弦理論是一種流行的理論嘗試，它要將兩個不同尺度（由標準模型支配著的粒子微小世界，和引力作用下的宇宙尺度）結合在一起。它認為，像電子和夸克這樣的粒子其實是弦的不同振動模式，而這些弦只有10^-35米長。

如果這個預言是正確的，大型強子對撞機中就可能發生一些有趣的事情。其中一個臭名昭著的可能產物是微型黑洞。而另一個則是弦球（Stringballs）。弦球指的是兩根弦猛烈相撞時沒有結合成一根更長的弦，而是形成一個纏繞的球。

大型強子對撞機能量足夠高，所以其中可能產生大量弦球。這將是一個革命性的事件， 弦球概念的發明者之一、加州斯坦福大學的Savas Dimopoulos說。其中的重要原因在於弦論與空間存在額外維度的想法息息相關。「發現額外維度比發現新大陸更為激動人心」，Dimopoulos說道。

到目前為止，我們還沒有發現弦球的存在。但目前仍然是加速器運行的初期階段。「理論物理學家善於預言現象」，Dimopoulos聳聳肩，「只不過他們無法告訴你在哪裡能觀察到這樣的現象。」

有時候，人們會從實驗中發現新的粒子。十年前，全世界有十幾個實驗報告，他們發現了「五夸克態」存在的線索。這是一種由四個夸克和一個反夸克組成的束縛態，質量比質子大一半。粒子物理學家對此議論紛紛。

標準模型中的質子和其他複合粒子，要麼是由三個夸克結合在一起的，要麼是一個夸克和一個反夸克結合在一起的。但是從根本上講，我們沒有理由認為四、五、六、七個夸克和反夸克組成的重粒子就不存在，牛津大學的粒子理論家Frank Close說。然而，我們確實有理由認為我們會很難發現這樣的粒子。例如人們預計一個五夸克態會在10^-23秒之內衰變，「光在這段時間內剛好飛過一個粒子」，Close說。

當時我們看到的五夸克態，最終被證明沒有站得住腳。如果確實有這樣的發現，2005年的一個專門設計的尋找實驗應該能看到，但是結果並沒有看到。

雖然五夸克態已經式微，但是四夸克態的勢頭正在上升。這種由兩個夸克和兩個反夸克複合而成的粒子可能會在電子和它的反粒子正電子湮滅時產生。Close說，問題就在於如何解釋這個現象：我們實際看到的是真正的複合粒子，還是如同「分子」一般，是短暫而鬆散地連在一起的兩組傳統的夸克-反夸克對？

當我們篩選大型強子對撞機的運行數據時，這種粒子得而復失的事情很可能還會發生。那真的是希格斯玻色子或超對稱的信號，還是會最終化作一團泡影呢？

質子內部是一個複雜的世界。三個為質子貢獻了電荷的「價」夸克生活在一個沸騰的海洋中，周圍充斥著在量子真空中產生旋即消失的壽命極短的夸克。

在夸克之間起束縛作用的則是一類名為膠子的粒子。夸克攜帶電荷和色荷。正如帶電粒子通過彼此交換光子而產生電磁力，帶色的夸克之間也會交換膠子。這種交換產生的強核力將它們束縛在一起。

但是其中還是有差別的。光子是電中性的，但膠子本身也攜帶色荷，所以它們對自己也有作用力。這就產生了一個有趣的問題：能不能不要夸克，找到一種僅完全由相互粘連的膠子組成的物質呢？

物理學家已經為「膠球」的可能性等待了三十年。1994年，歐洲核子中心的水晶桶實驗（Crystal Barrel experiment）得到了其中首個可能的線索。但是粒子理論專家的Close說，二十年來我們並沒有弄清楚這究竟意味著什麼。在任何可以想到的實際情況下，膠球的信號中都可能混雜著任意數量的電中性的強相互作用粒子，如泥沙俱下。「目前還沒有什麼證據會違背現有的膠球理論」，CLose說，「但是如何證明這個理論仍在困擾著我。」

暴脹子（Inflatons）

為什麼空間如此平滑，宇宙的物質分布如此均勻？根據解釋宇宙起源的通常的大爆炸模型，空間本可以呈現出各種各樣稀奇古怪的參差不齊或者的扭曲。

目前的標準解釋是，剛出生後的宇宙經歷了一段的急速擴張的時期，當時，空間區域的分離速度超過了光速，因而所有的不均勻性都被熨平了。「暴脹」背後的驅動力是一個巨大的能量場，它曾短暫地主導了宇宙，之後衰變成其他物質和輻射。

量子理論認為，每一個場都有一個關聯的粒子，這裡的粒子叫做暴脹子（inflaton）。暴脹子存在的話就會產生一些有趣的影響。暴脹場的量子漲落很難完全消除，所以原初宇宙的某些部分仍然會持續暴脹，產生許多各自為政的宇宙，組成一種「多重宇宙」。

但是，暴脹子的直接證據不會在近期內出現。至少，你需要一個能產生比大型強子對撞機的能量密度大一萬億倍的加速器，普林斯頓大學的Paul Steinhardt說。 「但你又必須弄清楚哪種粒子加速碰撞時會產生暴脹子」。

坡密子（Pomerons）

即使我們最終也未能成功分離出一個膠球（見上文），至少有一個地方物理學家會相信它會出現，那就是在大型強子對撞機中，當質子在擦碰中進行能量交換時。

這些「虛」的膠球的形狀和大小取決於碰撞的特徵，這著實是個讓理論物理學家頭疼的數學問題。但有一個現成的補救措施，美國加州大學聖巴巴拉分校的理論物理學家Joe Polchinski說：將這些虛粒子整個簡化成一個等效的坡密子（pomeron）。

坡密子在質子相互作用的模型中的歷史源遠流長，甚至早於描述夸克、膠子和強相互作用力的理論。它們甚至是弦理論的源頭之一（請參閱弦球一節）。最初引入坡密子是為了解釋質子的行為，後來才改弦更張。「弦論起初是強相互作用的候選理論」，Polchinski說，「然後才轉變成一個引力理論。」

現在，事情正在朝相反的方向發展。一種五維時空中的弦理論看起來非常像我們傳統的四維時空的強相互作用力。所以，現在人們用它來理解坡密子以及大型強子對撞機的擦碰反應中的一舉一動。

這可能真的會釣到大魚：相比大型強子對撞機中標準的迎頭碰撞，這種擦撞所產生的碎片更稀少。人們正在對探測器加以改進，以期待發現質子交換坡密子的信號。這樣的改進也有助於更精確地觀測人們津津樂道的希格斯玻色子，英國曼徹斯特大學的理論物理學家Jeff Forshaw說。

1994年，一組物理學家在德國漢堡的DESY實驗室做電子對撞質子的實驗。他們看到一個電子貌似變成了一個較重的夥伴，μ輕子。在標準模型中，這樣的轉變是前所未聞的。那麼，其中究竟發生了什麼？

一種可能性是，碰撞時產生了一個重量級的雜交粒子，叫做輕子夸克（leptoquark）。在標準模型中，電子和質子是兩種截然不同的粒子，因為它們參與的相互作用種類不同。質子之類的粒子是夸克在強相互作用力下複合而成的（請參閱「四夸克」）。電子和μ輕子之類的基本粒子統稱為輕子，它們並不參與強相互作用力。

大統一理論的目標是跨越這些界限，使自然界四種基本相互作用中的三種融合為一種。在一些理論，當電子撞擊一個質子時，例如在DESY的HERA加速器中，輕子夸克就會產生，並衰變為一個μ輕子和夸克。「HERA似乎是一個產生輕子夸克的好地方」，倫敦大學國王學院的理論物理學家John Ellis說。

在這個事件中缺乏進一步的觀測事例，因此大家的熱情有所減退。然而，大統一理論的誘惑一直存在——在大型強子對撞機上輕子夸克的搜尋今天仍在繼續。

粒子物理學家通常是一個冷靜的群體。他們的粒子有時並非如此。

W微子出自超對稱理論，人們認為標準模型能夠歸入這個宏大的理論建構中。超對稱彌補了標準模型的一些結構性弱點，它認為每個已知粒子都有一個尚未發現的、質量通常較大的夥伴粒子。

例如，費米子是標準模型中構成物質的一類磚塊粒子，其中包括電子和夸克，還有它們幽靈般的親戚中微子（見圖表）。在超對稱中，它們都具有「超費米子」表兄弟：超電子（selectrons），超中微子（sneutrinos）和鸚鵡學舌般的超夸克（squarks）。另一類標準模型的主要粒子，傳遞相互作用力的玻色子，具有「微子」夥伴：光微子（photinos），膠微子（gluinos），等等。因此W微子是W玻色子的超對稱夥伴，而W玻色子則是傳遞弱相互作用力的粒子。

根據超對稱理論，所有的超費米子都是玻色子，而所有「玻色微子」都是費米子。這聽起來相當混亂，不過別擔心：大型強子對撞機目前還沒有發現這些超對稱粒子。對於許多粒子物理學家和宇宙學家來說，缺乏W微子之類的粒子將是一個嚴重的問題，因為超對稱粒子是把星繫結合在一起的未知的暗物質（請參閱「Wimpzilla」）的一個現成候選者。

任意子（Anyons）

忘記這條規則：對於任意子，任何事情都會發生。這些二維世界的居民們無法歸入通常的，界限分明的費米子和玻色子（請參閱「Winos」），而是介於兩者之間——這種模稜兩可的狀態導致麻省理工學院的理論粒子物理學家，諾貝爾獎獲得者Frank Wilczek給它們取了這個名字。

電子和光子之類的常規粒子可以被視為自由空間中的能量畸變，是量子真空的一種點狀「激發」。同樣，任意子也是一類能量激發，但每個任意子攜帶的電荷只有電子的一部分，它們產生於強磁場中的某些二維金屬層里。

在這樣的情況下，在其中運動的東西實際上是磁場中的光子和金屬中的自由電子。那麼為什麼要發明一種新的粒子？Wilczek說，其原因就像我們提出質子概念的原因一樣：非常管用。質子是由夸克組成的，但沒有人見過單獨的夸克，因此質子的提出通常是有道理的，例如當我們描述原子核的行為時。「原則上你可以不必將這些激發視為獨立的實體」，Wilczek說。 「但是那會很不方便。」

二維的石墨烯材料是由單層碳原子構成的，它的發現使得Andre Geim和KonstantinNovoselov獲得2010年諾貝爾物理學獎。這種材料的出現，意味著任意子可能不久就會進入千家萬戶。其獨特的性質也使它們成為下一代的超高速量子計算機的大熱門。

伽利略子（Galileons）

20世紀90年代，人們通過對遙遠的超新星的觀測，發現了宇宙正在加速膨脹。這項研究名正言順地榮獲了2011年度諾貝爾物理學獎。

理論物理學家有點摸不著頭腦，他們不知道是什麼原因導致了宇宙的加速膨脹。首選的候選者是「暗能量」，它源自量子真空，並用某種方法勝過了把萬物拉在一起的起穩定作用的引力。另外的建議則是，這個效應是一種錯覺，源自於我們在宇宙中的位置；或者，只不過是因為引力的作用在宇宙學的大尺度上有所減弱。

後一個解釋存在一個很大的障礙需要克服。我們目前的引力理論，愛因斯坦的廣義相對論認為，引力在宇宙各處有同樣的行為。它的預言已經得到太陽系尺度上的驗證，至少我們星際探測器的漫遊就證實了這一點。

伽利略子提供一個簡潔的解決方法。人們假設有一種量子場能夠削弱引力的作用，而它們就是這種場對應的粒子。像相關的「變色龍」粒子一樣，它們的作用被物質所屏蔽。在相對高密度的區域，如我們的太陽系，我們感覺不到他們的削弱作用，只有在巨大而空虛的大片的宇宙中才有效——這從而解釋了超新星的觀測結果。

這是一個不錯的主意，但它說得對嗎？問題的答案取決於能否找到可檢驗的效應，讓我們能夠證實它的存在，費城賓夕法尼亞大學的理論物理學家Mark Trodden說。「我們在非常努力地研究這些效應可能的樣子。」

1938年，義大利的理論物理學家Ettore Majorana在從巴勒莫到那不勒斯的旅途中失蹤，留下了許多未解之謎。其中一個謎題是，一個粒子在什麼情況下會成為自身的反粒子。

除了電荷相反以外，粒子和它的反粒子是完全相同的（編者註：這句話其實不對。粒子和反粒子除了電荷之外，還有許多量子數是相反的。）。與超對稱理論中的超夥伴粒子（請參閱「Winos」）不同，反物質是真實存在的。不過，1932年，當人們在宇宙射線中發現了一個帶正電的反電子，也就是正電子時，反粒子才從理論猜想變成了現實。

Majorana提出，一個和電子同屬費米子的不帶荷粒子，可能有一個同樣不帶荷的反粒子。這似乎很荒謬：這不就是同一個粒子的複製嗎？但超對稱世界中本來就有Majorana的粒子。在超對稱中，不帶荷的光子有一個費米的超對稱夥伴，叫做光微子。光微子也是它自身的反粒子。同樣性質的還有希格斯微子，也就是希格斯玻色子的超對稱夥伴。

上個月，一個納米半導體導線實驗中的現象印證了Majorana描述，同時也證實了長期以來的理論預言（編者註：這個實驗中觀察到的是一種准粒子，不是中微子之類的基本粒子）。馬約拉納粒子很有可能每時每刻都在穿過我們的腦袋：中微子和反中微子的反應方式不同，但可能是相同的無荷粒子的不同的運動狀態。

這個實驗證據應該是一個叫做無中微子雙β衰變的核過程。傳統的β衰變會釋放反中微子或中微子。在罕見的情況下，一個核可以進行兩次這樣的衰變，放出兩個這樣的粒子。如果中微子是其自己的反粒子，兩者便會湮滅，人們就不會觀測到中微子的釋放。這樣的過程有助於揭開一個巨大的謎團：為什麼是物質，而不是反物質，主導了整個宇宙。

物理學家Rocky Kolb在伊利諾斯州的Warrenville的超市購物時，想給他和同事們剛剛發明的暗物質粒子模型取個名字。旁邊路過的公交車上的一張電影海報提供了答案。這是1998年，哥斯拉（Godzilla）翻拍剛剛上映。於是誕生了弱作用巨獸粒子（Wimpzilla）。

【圖：影片Godzilla海報】

沒有人知道暗物質是什麼：我們只知道在我們的望遠鏡里，80％以上的宇宙物質是不可見的。弱相互作用重粒子（Weakly-interacting massive particles或WIMP），是一個主流的想法。它們比質子重10倍到100倍，會在宇宙原始熱遺迹中產生，並藉助引力播下今天的星繫結構的種子。

但這並不是唯一的可能性。在宇宙最初的暴脹時期（請參閱「暴脹子」），空間本身的膨脹從真空中「撕」出了粒子。Kolb和他的同事們計算，其中暗粒子的質量可以比WIMP大十億倍。

巨獸級的質量意味著Wimpzillas極為稀少。它們無法在粒子加速器中產生，恐怕也不能被眾多的探測WIMP的地下探測器所捕獲。「它們可能是曾經提出的最難以捉摸的暗物質粒子，」Kolb說。

它們可能在宇宙微波背景輻射中留下蹤影，那是瀰漫天空的宇宙大爆炸的餘輝。如果我們在歐洲航天局的普朗克衛星的宇宙背景輻射圖中發現了某些痕迹，「那麼經過了一萬年的思考，我們終於可以知道宇宙是由什麼構成的」，Kolb說。這就是發明新粒子概念可以換來的大獎。

圖片出處依次為：

www.scienceblog.com

www.jlab.org

www.nobelprize.org

physicaplus.org

www.findfreegraphics.com

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