11個物理難題牽涉的11種基本粒子
馮詩齊/編譯
總有一種適合的粒子
● 什么是暗物質(zhì)? 什么是引力? 為什么宇宙如此平滑?這些謎題中每一個都含有一種粒子。在上世紀30年代末，諾貝爾獎得主伊西多·拉比(IsidorRabi)得知發(fā)現(xiàn)了較重的電子，他為此問道“是什么原因造成的？”在過去的四分之三個世紀里，他曾多次重復(fù)這個問題。我們現(xiàn)在知道，困擾拉比的μ子是僅依照其質(zhì)量不同而分的三個類電子的粒子家族之一。
事情并未到此為止。什么是所謂物質(zhì)的標準模型，它們之間的相互作用依賴于一整套有些為我們所熟悉、有些則不那么熟悉的粒子。今年3月在瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子中心（CERN）進行質(zhì)子對撞的大型強子對撞機(LHC)，打算在整個第三季度搜尋由標準模型所預(yù)測的唯一尚待發(fā)現(xiàn)的粒子——質(zhì)量的賦予者希格斯玻色子的確切蹤跡。
除此之外還有更多的事情。標準模型留下了許多沒有回答的問題。為什么在我們的宇宙中物質(zhì)比反物質(zhì)占優(yōu)?什么是引力的真正本質(zhì)? 什么是“暗物質(zhì)”(它似乎關(guān)乎星系的維系)？嘗試回答這類問題令物理學家一次又一次地走上同一種捷徑：虛構(gòu)一種新粒子。
弦粒子(Stringballs)
弦理論是一個將兩種完全不同的尺度——由標準模型統(tǒng)治的量子粒子的微觀世界，以及引力發(fā)生作用的宇宙距離——拉在一起的時髦企圖。該理論認為，像電子和夸克這樣的粒子實際上是10-35米波長、以不同方式振動著的微小的弦。
如果這樣的預(yù)測完全正確，在LHC就會出現(xiàn)一些有趣的事情：微型黑洞就是一個令人不寒而栗的可能性，弦粒子則是另一個。當兩條弦猛烈撞擊成另一條，而不是結(jié)合形成一條拉伸的弦時，就成為這樣的一個纏結(jié)的球。
在LHC，能量供應(yīng)充足，可以大量生成弦粒子。這將是一個革命性的事件，加利福尼亞斯坦福大學弦粒子概念原創(chuàng)者之一的薩瓦斯·季莫普洛斯(SavasDimopoulos)說。這不僅僅是因為弦理論與下述思想關(guān)系密切，即，空間除了我們所知道的三個維度外還有額外的維度?！罢业揭粋€額外維度比發(fā)現(xiàn)新大陸更令人激動，”季莫普洛斯說。
到目前為止，尚沒有其存在的跡象。但對粒子加速器而言為時尚早?！袄碚摷叶忌瞄L預(yù)測現(xiàn)象，”季莫普洛斯說，“他們恰恰無法告訴你身在何處?！?/span>
四夸克(Tetraquarks)
有時，實驗中也會有新粒子出現(xiàn)的跡象。十年前，全球有超過10項實驗報導(dǎo)了“五夸克”，即由四個夸克和一個其重量為質(zhì)子重量一半的反夸克組成的團塊時，粒子物理學顯得十分熱鬧。
質(zhì)子以及其他標準模型中已知的復(fù)合粒子要么是由三個夸克捆綁在一起，要么是由一個夸克和一個反物質(zhì)的反夸克組成的對。然而沒有基本的理由相信，由四個、五個、六個甚至七個夸克組合而成的較重的粒子不存在，牛津大學的粒子理論家弗蘭克·克勞斯(FrankClose)說。然而，有足夠的理由相信我們在分辨它們時會很困難。例如，一個五夸克(pentaquark)的衰變預(yù)期將小于10-23 秒——“大約是光穿越粒子所花費的時間”，克勞斯說。
一閃而過的五夸克確實證明了其相當短暫。2005年，當對粒子的搜索勞而無功時，假定的發(fā)現(xiàn)頓時煙消云散。
然而，即便是五夸克已經(jīng)破滅，“四夸克”的身價卻在抬升。這些由兩個夸克和兩個反夸克構(gòu)成的復(fù)合粒子，可能會在一個電子與其反粒子即正電子發(fā)生湮滅時產(chǎn)生?？藙谒拐f，問題在于是怎么解釋：我們是確實看見了真實的緊密綁定的粒子，還是更像由兩個傳統(tǒng)的夸克-反夸克對松散而又短暫地相互連接在一起的“分子”？
當我們對LHC的結(jié)果進行篩選時，這種有關(guān)粒子發(fā)現(xiàn)和失落的故事一再重復(fù)。這確實是希格斯玻色子嗎？還是超對稱性的反映？它會迅速在稀薄的空氣中消失嗎？
膠子球(Glueballs)
質(zhì)子的內(nèi)部是復(fù)雜的。由其電荷組成的三“價”夸克生存在由突然從量子真空中生成和消失的短壽命夸克的沸騰大海之中。
拉伸這根弦的是稱為膠子(gluon)的粒子的混合物?？淇思葦y帶電荷，也攜帶名為色荷(colourcharge)的屬性。正如光子在粒子間交換電荷而產(chǎn)生電磁力，膠子也在色荷夸克間進行交換。這種交換產(chǎn)生將其互相綁定的強核力。
除非存在差異。光子是電中性即不帶電的，但膠子本身帶有色荷，所以感覺到自己的力量。這就引出了一個有趣的問題：我們能否完全忘記夸克，并通過互相粘合的膠子來生成物質(zhì)？
“膠子球”存在的可能性已逗引了物理學家三十年。1994年，CERN的晶筒實驗(CrystalBarrel experiment)貢獻出了許多公認的第一。已經(jīng)二十年過去了，粒子理論家弗蘭克·克勞斯（Frank Close）說，我們還無法更自信地聲稱這就是真的。任何數(shù)量電中性的、強相互作用的粒子，在所有想象得到的場合都將與膠子球相混合，把水攪渾?！皼]有什么能否定膠子球存在的想法，”克勞斯說，“但如何來證明它仍然讓我頭疼?！?/span>
暴脹子(Inflatons)
為什么空間如此平滑而宇宙物質(zhì)的分布又如此均勻? 根據(jù)宇宙起源最通常的大爆炸模型，空間本會以任何希奇古怪的方式表現(xiàn)出參差不齊或扭曲。
目前的標準解釋是宇宙在其誕生后就進入了迅速擴張的時期，在此期間空間區(qū)域的擴張要比光的速度更快，熨平了所有的皺紋。在這個“暴脹”背后的驅(qū)動力是一個巨大的、在其化解為其他物質(zhì)和輻射前短暫主宰宇宙的能量場。
量子理論認為，任何場都有相關(guān)聯(lián)的粒子——在上述場合就是暴脹子。它的存在會有一些有趣的影響。暴脹場中的量子波動使其很難徹底關(guān)閉，因此，原始宇宙的一部分仍會暴脹，形成獨立演化的“多元宇宙”。
然而暴脹子的直接證據(jù)不會很快獲得?！白畹拖薅?，你需要一臺能產(chǎn)生相當于LHC能量密度萬億倍的加速器，”普林斯頓大學的保羅·斯坦哈特(PaulSteinhardt)說，“然后你得解決要加速的對象，以便當它們碰撞時就會產(chǎn)生暴脹子。”
坡密子(Pomerons)
即便我們永遠不能成功地隔離膠子球，物理學家們相信他們會找到一個地方——如LHC，當質(zhì)子在加速器中只是擦邊碰撞時就成為能量包交換的場所。
這些“虛擬”的膠子球由碰撞的性質(zhì)決定了它們具有不同的形狀和大小，對理論家而言又是一道數(shù)學難題。但還有現(xiàn)成的補救辦法，加州大學圣塔芭芭拉分校理論家喬·普爾欽斯基(JoePolchinski)說：將它們統(tǒng)統(tǒng)都簡化成“有效”的粒子，即坡密子。
坡密子在質(zhì)子相互影響的模型中有著悠久的歷史，時間倒推理論(pre-datingtheory)涉及夸克、膠子和強力。它們甚至是弦理論的靈感來源之一(見“弦粒子”)，其最初目的是在質(zhì)子從根本上賦予新的用途之前解釋它?！跋依碚撛徽J為是一種強相互作用的理論，”普爾欽斯基說，“而它實際是引力理論。”
現(xiàn)在事情以另外的方式倒推。帶有一個額外第五維度的弦理論，結(jié)果在我們傳統(tǒng)的四維空間中看起來非常像強力——所以它現(xiàn)在可用于了解坡密子和在LHC中擦邊反應(yīng)所發(fā)生的情況。
這可以幫助我們釣出大魚：這種擦邊碰撞比標準的LHC迎頭相撞所產(chǎn)生的碎片要少得多。正在開發(fā)的探測器可發(fā)現(xiàn)已交換坡密子的質(zhì)子，并能為大肆鼓吹的希格斯玻色子提供特別清晰的視野。英國曼徹斯特大學理論家杰夫·福肖(JeffForshaw)說。
輕子夸克(Leptoquarks)
1994年，德國漢堡DESY實驗室(即德國電子同步加速器實驗室)的一批物理學家利用電子同質(zhì)子正面相撞時，他們看到電子似乎變成了更重的對應(yīng)物μ子。這一轉(zhuǎn)變在標準模型中是聞所未聞的。究竟發(fā)生了什么事?
一種可能性是對撞生成了一種重量級的雜交物輕子夸克。在標準模型中，電子和質(zhì)子這兩種粒子，依照其各自感受的力而表現(xiàn)極為不同。質(zhì)子及其類似物是在強力的影響下結(jié)合夸克而生成的(參見“四夸克”)。像電子和μ子這樣的粒子是基本粒子，統(tǒng)稱為輕子，它們完全不感受到強力。
大統(tǒng)一理論的目的在于，通過將自然界中四種力中的三種合而為一來打破這種界限。在某些理論中，當一個電子擊中一個質(zhì)子，如同在DESY實驗室的HERA(強子-電子環(huán)形加速器)中所做，輕子夸克可以形成并衰變?yōu)橐粋€μ 子和一個夸克?！癏ERA似乎是產(chǎn)生輕子夸克的好地方，”倫敦國王學院的理論物理學家約翰·埃利斯(John Ellis)說。
在那次實驗中，沒有作進一步的觀察，興奮也逐漸消退。然而，大統(tǒng)一理論的誘惑仍然存在——在LHC，如今依然在繼續(xù)搜索輕子夸克。
超W子(Winos)
粒子物理學家們一般都是一批清醒的人群，而他們的粒子同樣也并不總是真實的。
超W子在超對稱性中凸顯，大統(tǒng)一理論的構(gòu)建，有利于將其歸于標準模型。由于超對稱性提出每個已知粒子都有一個尚未發(fā)現(xiàn)、通常較重的搭檔，因而它修補了標準模型某些結(jié)構(gòu)上的弱點。
例如，費米子是一類組成所有物質(zhì)的標準模型粒子——電子和夸克——及其幽靈般的中微子親屬。在超對稱性中，它們都有“超對稱費米子(sfermion)”這個堂兄弟：超電子(selectrons)、標量中微子(sneutrinos)以及應(yīng)聲蟲般的超夸克(squarks)。其他主要的標準模型粒子組，傳遞力的玻色子，是一些詞尾加上“-ino”后綴的搭檔：與光子對應(yīng)的是光微子(photinos)、與膠子對應(yīng)的是膠微子(gluinos)，等等。因此，超W子是W費米子的搭檔，是傳遞弱核力的粒子。
按照超對稱性，所有的超對稱費米子都是玻色子，而所有的“超對稱玻色子(bosinos)”都是費米子。如果這一切聽起來有些令人困惑，別擔心：LHC尚未捕捉到預(yù)期的超對稱粒子。對于許多粒子物理學家和宇宙學家來說，超W子和類似物的缺席是極為頭疼的事，因為超對稱性粒子為將星系綁在一起的、說不清道不明的暗物質(zhì)提供了一張現(xiàn)成的配方(見“弱相互作用重粒子”)。
任意子(Anyons)
不要相信“有了任意子，任何事情都可為”這句話。這些二維世界的居民并不遵守常規(guī)，并不認為粒子不是費米子就應(yīng)當是玻色子(見“超W子”)，它們介于這兩者之間，處于一種含糊不清的狀態(tài)，以致諾貝爾獎得主、麻省理工學院粒子理論家弗蘭克·維爾切克(FrankWilczek)給它們起了這個名字。
像電子和光子這樣傳統(tǒng)的粒子可以視為是自由空間中能量的偏離，視為量子真空中的點狀“激發(fā)”。同樣，任意子也會以能量激發(fā)的形式突然出現(xiàn)，當暴露在強磁場時，在某些金屬的二維層中每個任意子似乎只攜帶一個電子的一部分電荷量。
在這樣的場合，移動部分實際上是磁場中的光子和金屬的自由電子。那么我們?yōu)槭裁催€要發(fā)明一個新的粒子呢?其實這跟我們發(fā)明像質(zhì)子這樣的東西是出于同樣的原因。維爾切克說：這就是他們所做的。質(zhì)子是由夸克組成，但沒有人看到過夸克本身，然而它常常是有意義的。比如我們在描述原子核如何工作時，就要回到質(zhì)子中去處理?！霸瓌t上你可以不對獨立實體的激發(fā)進行識別，”維爾切克說，“但這會顯得別扭和有悖常理?！?/span>
石墨烯(graphene)是令安德烈·海姆(AndreGeim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)贏得2010 年諾貝爾物理學獎的單層碳原子，這種2D材料的出現(xiàn)，意味著任意子很快就可能會屬于任何人的了。其獨有的特點也使其成為支撐未來一代超級量子計算機的熱門首選。
伽利略子(Galileons)
1990年代通過對來自遙遠超新星的觀測，發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹正在加速，此事被認為最值得獲得諾貝爾物理學獎。然而，其成因是什么使理論家們大撓其頭。首選的成因是發(fā)自量子真空并以某種方式控制以壓過平穩(wěn)的引力的“暗能量”。另一個提出的成因是由我們所處宇宙中的位置而產(chǎn)生的虛幻效應(yīng)——或簡言之，引力本身在大尺度宇宙中被削弱了。
后一種解釋有一個需要克服的巨大障礙。目前的引力理論，即愛因斯坦的廣義相對論認為，力在任何地方都以相同的方式發(fā)生作用。其預(yù)測已經(jīng)在我們所能檢測的最遠的太陽系尺度得到證實。
伽利略子提供了一個勻整的工作區(qū)，它們是與假設(shè)中的弱重力場相關(guān)聯(lián)的量子粒子。就像相關(guān)的“變色龍”粒子，其影響由于物質(zhì)的存在而被掩蔽。在相對高的密度區(qū)域，比如我們的太陽系，它們微弱的效應(yīng)是感覺不到的，只有通過浩瀚的空間，即更空的宇宙才能顯現(xiàn)——以此來解釋超新星的觀測結(jié)果。
這是一個好主意，但這是真的嗎？答案取決于尋找可測試的、我們可用來證明這些粒子存在的效應(yīng)。費城賓夕法尼亞州大學理論家馬克·特羅登(MarkTrodden)說：“我們正在非常努力地了解它們可能會是什么東西。”
馬約拉納粒子(Majorana particles)
當意大利理論物理學家埃托雷·馬約拉納(EttoreMajorana) 1938 年從巴勒莫到那不勒斯的途中失蹤時，他留下了許多謎團。其中就有：在什么情況下一個粒子又可以是其自己的反粒子。
除了它們擁有相反的電荷外，粒子和反粒子都是一樣的。與超對稱性的搭檔粒子不同(見“超W子”)，反物質(zhì)是真實的——盡管在1932年它只出現(xiàn)在猜想之中。當時帶正電荷的反電子(anti-electron)，即正電子(positron)還只在宇宙射線中被觀測到。
馬約拉納認為一個不帶電荷的粒子與電子同屬一類，而費米子，可能會有一個同樣帶0電荷的反粒子。這似乎很荒謬，顯然是把同一個粒子計了兩次？但馬約拉納粒子是超對稱世界中的固定成員。這里，不帶電荷的光子擁有費米子的超級搭檔，這是它自己的反粒子。超希格斯粒子(Higgsino)也是一樣，是希格斯玻色子的超級搭檔。
就在今年2月，某些回答馬約拉納描述的現(xiàn)象也意外出現(xiàn)在正在實驗的納米尺度半導(dǎo)體導(dǎo)線中，證實了長期存在的理論預(yù)測。它們也完全有可能每時每刻正穿過我們的頭頂：中微子和反中微子似乎在以不同的方式進行互動，但可能都是不帶電荷的粒子，只是處于不同的運動狀態(tài)。
實驗可能會發(fā)現(xiàn)一個名為無中微子雙 β 衰變(neutrinolessdouble beta decay)的核過程。傳統(tǒng)的 β 衰變伴隨反中微子或中微子的發(fā)射。在少數(shù)情況下，其中一個核可以經(jīng)受兩次這種衰變，會發(fā)射兩個這樣的粒子。如果中微子又是其自身的反粒子，這兩個就會湮滅，就觀測不到中微子的發(fā)射。這個過程反過來可能會揭示其所有謎團中的最大謎團之一：為什么是物質(zhì)而不是反物質(zhì)主宰了宇宙。
弱相互作用重粒子(Wimpzilla)
一天，物理學家洛奇·庫伯(Rocky Kolb)正在伊利諾伊州沃倫維爾的雜貨店購物，他疑惑該將他和他的同事剛剛發(fā)明的暗物質(zhì)粒子起個什么名字。此刻，一張貼在途經(jīng)的公共汽車車身上的電影海報提供了答案。這是在1998年，是剛剛發(fā)行的根據(jù)怪獸哥斯拉(Godzilla)改編的影片。于是名詞弱相互作用重粒子(Wimpzilla)就這樣誕生了(二者結(jié)尾都是zilla——譯者)。
沒有人知道暗物質(zhì)是由什么組成的：我們只是知道宇宙中80℅的物質(zhì)是我們的望遠鏡所看不到的。弱相互作用大質(zhì)量粒子(Weakly-interactingmassive particles，WIMP)是一個流行的主意，在質(zhì)子重量10 至 100 倍范圍內(nèi)，它們本當是產(chǎn)生于宇宙熾熱的原始湯里，由引力聚集成為今日星系的種子。
但這并不是唯一的可能性。在宇宙誕生的第一秒里，在暴脹期間(見“暴脹子”)，空間本身的擴張撕裂了真空的粒子。庫伯和他的同事計算了它們中重量比WIMP十億倍以上的暗粒子。
巨大的質(zhì)量意味著這些弱相互作用重粒子極為罕見。它們不能在粒子加速器中產(chǎn)生，也不太可能由眾多用于尋找WIMP的地下探測器中的某一個捕獲。“它們可能是有史以來最難以捉摸的暗物質(zhì)粒子，”庫伯承認。
它們?nèi)匀豢赡軙谟钪嫖⒉ū尘拜椛渲辛粝录毼⑻卣?，大爆炸的余輝彌漫于整個宇宙。如果我們發(fā)現(xiàn)任何痕跡，例如期待從歐洲航天局普朗克衛(wèi)星獲得的宇宙背景詳圖中獲得，“然后想想一萬年后的結(jié)果，我們就會知道宇宙是由什么組成的”，庫伯說。這就是可以從發(fā)明新粒子中獲得的大獎。
[資料來源：New Scientist][責任編輯：則 鳴]
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本文作者理查德·韋布(RichardWebb)、瓦萊麗·賈米森(ValerieJamieson)，《新科學家》雜志特約編輯。
