科學(xué)家試圖細(xì)分夸克。
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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
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