世界還能再細(xì)分嗎？ 在10?2?米尺度上，科學(xué)家看到了不想看到的東西

科學(xué)家試圖細(xì)分夸克。

質(zhì)子是由夸克構(gòu)成的，那夸克是否又是由更小的粒子構(gòu)成的呢？A. Iqbal / CMS

科學(xué)研究的一個重要方法是細(xì)分。將一份東西切開來看看，再切開來看看，無限地細(xì)分下去，看看它究竟是由什么構(gòu)成的。

細(xì)分的結(jié)果，是我們知道世界是由很多粒子構(gòu)成的。比如分子，比如原子，比如質(zhì)子和中子，以及電子和光子等等。這些粒子中有一些是可以再細(xì)分的：比如分子，是由原子構(gòu)成的；而原子，還可以細(xì)分為質(zhì)子、中子和電子，等等。但有些粒子是無法再細(xì)分的。

無法再細(xì)分的粒子，被稱作“基本粒子”。比如構(gòu)成質(zhì)子的夸克，是一種點狀的基本粒子。

但是無論怎樣，都擋不住人的好奇心。依然有很多科學(xué)家想要借助新出現(xiàn)的技術(shù)，來看看基本粒子是否真的如人所說的那樣“基本”。

近日，歐洲核子研究中心（CERN）大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC） “緊湊μ子線圈合作組 （CMS，Compact Muon Solenoid Collaboration）”在一篇論文中稱，他們試圖在10?2?米尺度上尋找夸克的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，結(jié)果實驗結(jié)果表明，至少目前看來，夸克真的依然很“基本”。

雖然在如此微觀的尺度上，從未有人發(fā)現(xiàn)過與粒子結(jié)構(gòu)有關(guān)的證據(jù)，但是歷史也表明，那些曾經(jīng)被視為最基本的東西，往往還有更深層的結(jié)構(gòu)。比如以前的科學(xué)家一度認(rèn)為分子是物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，但后來發(fā)現(xiàn)完全不是這樣。

科學(xué)家一直喜歡使用粒子對撞，來探測物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。原子核之所以能夠被發(fā)現(xiàn)，就是因為核物理之父——歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）用一束氦核轟擊了一片金箔。通過測量氦核散射的角度，他最終發(fā)現(xiàn)原子中心存在一個點狀原子核。而之所以能夠獲得這一發(fā)現(xiàn)，主要就是因為氦核粒子束具有足夠高的能量。

時至今日，科學(xué)家的這一夢想仍在由粒子對撞機(jī)延續(xù)著。通過更高能量級的粒子對撞，人們希望能夠繼續(xù)細(xì)分這個世界。

當(dāng)兩束質(zhì)子發(fā)生對撞，它們會分解為夸克。通過測量飛出的兩束夸克，科學(xué)家可以獲得夸克之間的散射角。而將散射角的分布與理論預(yù)期進(jìn)行比較，就可以獲知夸克是否存在更加微觀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

這一次的對比結(jié)果顯示，這些夸克的散射分布與理論預(yù)期相比并無太大差異——這表明，在該尺度上，夸克沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)；但話也不能說死——假如夸克有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其尺度必然比10?2?米還要小。

該估算結(jié)果是基于夸克“復(fù)合性”顯現(xiàn)的能量標(biāo)度限制推導(dǎo)得出的。合作組在近期論文的基準(zhǔn)模型中，假設(shè)夸克具有復(fù)合結(jié)構(gòu)；而最新實驗結(jié)果將其能量標(biāo)度限制設(shè)定在了迄今為止最嚴(yán)格的37 TeV。

是否能夠繼續(xù)細(xì)分世界，在很大程度上取決于我們用來切分這個世界的“刀”是否足夠“鋒利”——亦即用來轟擊粒子的粒子束是否擁有足夠高的能量。未來更多的對撞實驗，以及更高能對撞機(jī)的出現(xiàn)，或許可以讓我們獲得這種能力。

參考

Measurement of dijet angular distributions and search for beyond the standard model physics in proton-proton collisions at √s = 13 TeV

https://arxiv.org/abs/2603.25458