宇宙是一个复杂而精妙的地方。我们可以轻松地穿过空气，却无法穿过墙壁。太阳将一种元素嬗变成另一种元素，为我们的星球沐浴在温暖和光芒之中。无线电波可以将人类的声音从月球表面传回地球，而伽马射线则可能对我们的DNA造成致命的损害。表面上看，这些截然不同的现象彼此无关，但物理学家们已经发现了一些原则，这些原则融合为一个崇高而简洁的理论，可以解释所有这些以及更多。这个理论被称为粒子物理学的标准模型，它概括了使墙壁感觉坚实的电磁力，支配太阳发电厂的核力，以及使现代通信成为可能并威胁我们福祉的各种光波。
标准模型是有史以来最引人注目的成功理论之一。本质上，它假设存在两类不可分割的物质粒子：夸克和轻子。各种类型的夸克构成了质子和中子，最熟悉的轻子是电子。适当混合的夸克和轻子可以构成任何原子，并由此构成宇宙中任何不同类型的物质。这些物质的组成部分通过四种力结合在一起——两种我们熟悉的力，引力和电磁力，以及不太熟悉的强核力和弱核力。被称为玻色子的一个或多个粒子的交换介导了后三种力，但所有在微观领域处理引力的尝试都失败了。
标准模型也留下了一些未解答的问题，例如：为什么我们有四种力而不是其他数量？为什么有两种基本粒子而不是仅仅一种可以处理一切的粒子？
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这些都是有趣的问题。然而，长期以来，另一个难题吸引了我和许多其他物理学家的注意力。标准模型将夸克和轻子视为不可分割的。然而，令人震惊的是，各种线索暗示它们实际上是由更小的组成部分构成的。如果夸克和轻子根本不是基本的，并且更小的粒子确实存在，那么它们的存在将迫使我们对理论进行广泛的修订。正如在欧内斯特·卢瑟福于1911年发现原子结构之前，核能是不可想象的一样，揭开亚原子洋葱的另一层肯定会揭示我们目前无法想象的现象。
世代差距
解决这个问题需要科学家以极高的能量将粒子撞击在一起。自从1970年代观察到夸克以来，我们一直缺乏可能让我们窥视其内部的工具。但是现在，位于日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）——最近证实了希格斯玻色子的存在，希格斯玻色子是标准模型中最后一个未被记录的粒子——正在加速，并且可能胜任这项任务。
夸克和轻子结构的首批暗示来自对另一个——仍然未解决的——难题的研究，该难题与已发现的不同种类夸克和轻子的数量有关。质子和中子由两种类型的夸克组成，称为上夸克和下夸克。上夸克具有质子电荷的+2/3，下夸克具有质子电荷的-1/3。尽管只有这两种类型的夸克加上电子足以构成宇宙的物质，但已经观察到其他夸克。奇异夸克与下夸克具有相同的电荷，但更重。底夸克是更重的版本。同样，粲夸克是上夸克的较重表亲，而超重顶夸克则完善了上夸克家族。粒子物理学家已经观察到所有这些夸克，但四个较重的夸克在不到一秒的时间内衰变为最轻的两个。
电子也有较重、不稳定的表亲，μ子和更重的τ轻子，它们都具有与电子相同的电荷。已知的粒子动物园还包括三种中微子，它们都是超轻且电中性的。
这种琳琅满目的现象自然而然地让物理学家们提出疑问：鉴于上夸克、下夸克和电子是构建宇宙所必需的唯一粒子，为什么它们有这么多表亲？这个问题可以用诺贝尔奖得主物理学家I.I.拉比在得知μ子的发现时经常引用的俏皮话来概括：“谁订购了那个？”
科学家们着手解决众多粒子家族之谜的一种方法是构建一个图表，描绘所有已知基本粒子的特征[见右侧方框]，类似于化学元素的周期表。周期表为物理学家提供了第一个暗示，即化学元素可能不是基本的，原子内部结构的系统模式可能解释特定行和列中元素的相似性质。
夸克和轻子表有三列，称为世代（这就是为什么粒子多样性的奥秘现在被称为世代问题）。第一代，在最左边，包括上夸克和下夸克以及电子和电子中微子——解释我们熟悉的宇宙所需的一切。第二代包含相同粒子的稍微更重的版本；第三代拥有所有粒子中最重的版本。
标准模型将夸克和轻子视为没有任何内部结构的点状粒子。但是，表格内的模式，就像化学周期表中的模式一样，提出了这样一种可能性，即世代之间的差异源于夸克和轻子内更小物质构件的配置。
20世纪初的另一个历史先例，可能与寻找夸克的潜在结构有关，是放射性衰变的发现。通过当时不为人知的一个过程，一种元素可以嬗变成另一种元素。我们现在知道，通过改变原子核中质子和中子的数量，有可能实现中世纪炼金术士的目标，将铅转化为黄金。可能的嬗变范围甚至更广，因为核炼金术甚至可以通过改变中子组成夸克的身份将中子转化为质子（或反之亦然）。这种转变通过弱核力发生，弱核力也可以嬗变轻子，尽管夸克不能变成轻子，反之亦然。正如一种元素转化为另一种元素反映了原子复杂的内部运作一样，夸克和轻子的变态也可能提供关于这些粒子内部更精细细节的另一个暗示。
部分和粒子
已经出现了许多夸克和轻子的假设构建块，每个都有不同的名称，但术语“前子”已作为所有这些构建块的通用描述符而保留下来。在大多数情况下，相同的名称适用于携带作用于这些物质微粒的力的粒子的组成部分。
作为例证，考虑一下1979年由当时在斯坦福直线加速器中心的Haim Harari和当时在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Michael A. Shupe独立提出的一个简单的模型，随后在1981年由Harari和他的学生Nathan Seiberg扩展，当时他们都在以色列雷霍沃特的魏茨曼科学研究所[见左侧方框]。他们提出存在两种前子，一种带+1/3的电荷，另一种带零电荷；此外，这些前子中的每一个都有一个带相反电荷的反物质伴侣：分别为-1/3和零。这些前子是费米子——物质粒子——每个夸克和轻子都包含三种前子的独特混合。例如，两个带+1/3电荷的前子和一个带零电荷的前子构成一个上夸克，而上夸克的反物质对应物包含两个带-1/3电荷的前子和一个带零电荷的前子。与此同时，携带力的玻色子由独特六前子组合构成。例如，带正电的W玻色子，它携带作用于夸克和轻子的弱核力，具有三个+1/3前子和三个零前子。
Harari和Shupe使用一系列合理的假设，假设了第一代所有粒子的前子含量。相同的构建块也可以解释胶子，胶子是介导强核力以将夸克结合在质子和中子内部的亚原子粒子，以及其他携带力的玻色子。
制定任何已知夸克、轻子和玻色子的潜在结构的关键在于解释这些粒子和力的无数相互作用。事实上，前子可以为描述亚原子过程提供一种合理的语言。例如，考虑一个上夸克与一个反物质下夸克碰撞，产生一个带正电的W玻色子，该玻色子衰变为一个反物质电子，即正电子，和一个电子中微子。在Harari和Shupe设计的前子模型中，入射的夸克，每个都带有三个前子，在碰撞中结合在一起产生一个W玻色子，现在包含所有三个+1/3电荷和所有三个零电荷。然后，W玻色子分解，吐出相同六个前子的不同配置：一个正电子（带有三个+1/3电荷）和一个电子中微子（带有三个零电荷）。
到目前为止，我一直在讨论可以称之为夸克和轻子数字命理学的东西。这只是一种计数游戏，就像平衡化学或数学方程式一样，尽管它是一个严肃且可行的游戏。为了成功，前子模型必须用少量的构建块和一些控制规则来解释夸克和轻子。毕竟，希望是找到一个潜在的秩序，统一表面上不同的粒子，而不是一个根据具体情况解释其性质的特设定义系统。这种解释已经通过前子实现了，无论是在Harari-Shupe模型中还是在其成功的竞争者中。
然而，您可能已经注意到，到目前为止的讨论仅包括第一代夸克和轻子。当我们把注意力转向第二代和第三代时，事情变得更加模糊。在Harari和Shupe提出的模型中，更高的世代被假设为第一代配置的激发态。正如电子在原子中从一个能级跃迁到另一个能级一样，一些未知的机制被认为以允许从相同成分产生多粒子世代的方式将前子结合在一起。
如果这种解释听起来有点像空口说白话，那确实如此。许多细节尚未制定出来。最初提出夸克概念的理论研究也具有类似的复杂程度。直到后来，将夸克结合成质子和中子的强力才被数学描述出来。尽管如此，世代问题仍然明显未得到解释，因此一些物理学家提出了相互竞争的模型，包括一种模型，其中一个前子携带世代数以及称为超颜色的新电荷，超颜色将前子束缚在夸克和轻子内部。
尽管我已经描述了一个单一的前子理论，但不要被误导，认为它是唯一存在的理论。我的理论同事非常聪明，非常有创造力。实际上，已经撰写了数百篇论文，提出了其他前子模型，尽管这些模型通常是少数基本主题的变体。一些模型的前子带有1/6电荷，而不是Harari和Shupe模型中的1/3。另一些模型在夸克和轻子中有五个前子，而不是三个。还有一些模型提出了费米子前子和玻色子前子的混合，或者玻色子的前子含量与对面页底部表格中列出的不同。可能性实际上非常丰富。我们需要更多的数据来帮助筛选出替代方案。
除了对已知最小的物质碎片可能还有更小的碎片这一概念固有的着迷之外，我们中的许多人对前子感兴趣还有另一个原因。如果它们存在，它们可能会对粒子物理学中另一个突出的谜团有所贡献。标准模型假设希格斯场是基本粒子质量的来源。大质量粒子在穿过这个无处不在的场时会感到某种阻力，而无质量粒子（如光子）则不受干扰地滑过。如果构成第二代和第三代的前子与第一代相同，那么大概是关于前子的某些特性使更高世代的粒子比第一代更多地与希格斯场相互作用，从而赋予更高世代更大的质量。虽然希格斯机制可以解释粒子的质量，但它无法预测它们的质量。
在更深入的理论被发明出来之前，亚原子粒子的质量只能通过逐个测量来确定。据推测，通过理解夸克和轻子的结构以及世代之间的差异，我们将更多地了解希格斯机制。
坑洼和弯路
我应该注意到，前子理论并非没有问题。首先，所有看到前子的实验努力都失败了。这种失败令人失望，但可能仅仅是由于设备不足造成的。除了实验问题外，一些担忧是理论本身固有的。“禁闭理论”的自然特征——在这种情况下之所以如此称呼，是因为前子被禁闭在夸克和轻子内部——是相关质量与禁闭尺寸成反比。由于夸克和轻子比质子小得多，因此该规则意味着由禁闭前子制成的夸克将比质子重得多，而质子本身是由夸克制成的。质子的整体将小于其各部分之和——实际上，小于各个部分本身。
尽管这个问题似乎难以克服，但物理学家们已经设法绕过了与玻色子相关的类似扭结。例如，夸克和反夸克可以构成称为π介子的玻色子，其中禁闭难题似乎也构成了一个问题。然而，利用杰弗里·戈德斯通（当时在欧洲核子研究中心）在1961年勾勒出的一个想法，理论家们长期以来已经意识到，潜在理论中的对称性可以克服这一困难。因此，π介子的轻盈性实际上并不令人惊讶。不幸的是，这种方法仅适用于玻色子，而不适用于费米子，如夸克。然而，在1979年，荷兰乌得勒支大学的杰拉德·特·胡夫特提出了一个相关的方法，该方法确实适用于费米子。特·胡夫特的理论是否在实际粒子中得到证实仍不清楚，但他的思想至少表明，夸克质量的理论障碍并不像最初看起来那么可怕。
前子并不是物理学家在希望解决世代问题时探索的唯一途径。一种突出的替代方案是超弦的概念，其中物质的最终构建块不是亚原子粒子，而是微小的振动弦。比喻来说，标准模型中的每个粒子都可以被认为是演奏不同音符的弦，而整个现实可以被认为是演奏宏伟宇宙交响曲的超弦乐团。令人高兴的是，前子和超弦可以友好地共存，因为超弦的尺寸尺度远小于夸克和轻子的尺寸尺度。如果超弦存在，它们很可能构成不是夸克和轻子，而是前子，甚至前-前子或前-前-前子，这取决于物质存在多少未被发现的洋葱层。
另一种替代普通粒子前子的想法出现在2005年，当时南澳大利亚阿德莱德大学的Sundance Bilson-Thompson设计了一种将前子描述为时空扭曲辫子的方法。这个模型仍处于起步阶段，但物理学家们正在探索其含义，尤其因为它为将长期寻求的引力量子理论整合到标准模型中提供了一条可能的途径。
前子布丁中的证明
物理学最终是一门实验科学。无论理论多么巧妙，如果它与测量结果不符，那就是错误的。那么，实验学家可以做些什么来证明或证伪前子的存在呢？标准模型成功地描述了宇宙的夸克、轻子和玻色子，而没有调用前子，因此物理学家必须寻找与标准模型预测的细微偏差——现代物理学大厦中的微小裂缝。该模型的两个方面看起来尤其像是值得更密切探索的诱人领域。
第一个是尺寸。标准模型将夸克和轻子视为点状粒子——即尺寸为零且没有内部结构的粒子。发现这些粒子的非零尺寸将为前子提供有力的证据。测量表明，质子和中子的半径约为10
−15 米。过去和现在世界领先的粒子对撞机的实验已经寻找了夸克或轻子也具有可测量尺寸的证据。到目前为止，所有数据都完全符合零尺寸或非零尺寸，其尺寸小至质子尺寸的约0.0002至0.001倍。
为了区分这两种可能性（零尺寸与非常非常小的尺寸），我们需要进行更精确的测量。大型强子对撞机是一台发现机器，预计从其当前碰撞中获得的大量数据以及计划中的加速器能量升级是我们可能更多地了解夸克和轻子尺寸的两种方式。
证明粒子亚结构的存在的另一种方法——至少对于轻子而言——是研究紧密相关的自旋和磁矩概念。用一些诗意的许可，电子可以被认为是旋转的球，物理学家用自旋量子数来量化该属性。像所有费米子一样，电子被认为具有自旋1/2。由于电子带电，自旋和电荷的结合赋予了磁矩，这只是一种花哨的说法，即它将电子变成了一个熟悉的磁铁，带有北极和南极。假设轻子是一个具有自旋1/2的点状粒子，它应该具有单一且特定的磁矩。因此，如果对电子或μ子的磁矩的测量结果与预测不同，那么该结果将强烈暗示这些粒子不是点状的，因此可能由前子组成。
物理学家早就知道，电子和μ子的磁矩都与点状粒子的磁矩有所不同。然而，这种微小的差异与前子无关，实际上可以在标准模型中得到解释。每个轻子都被所谓的虚粒子的短暂云层包围，这些虚粒子闪烁出现又消失。由于这个云层具有尺寸，因此它稍微改变了轻子的磁矩——大约千分之一。前子的影响会更小，但可能是可检测到的。费米实验室μ子g-2实验的新测量将比迄今为止实现的精度高出四倍以上。
物理学家还深入研究了对撞机数据，以寻找如果前子存在并且更高世代的粒子仅仅是第一代的激发态时预期的粒子衰变。一个这样的过程是μ子衰变为电子和光子。这种衰变尚未被观察到，如果它确实发生，则发生率不到约千亿分之一。
迄今为止进行的所有直接测量都与夸克和轻子确实是点状的，自旋为1/2的假设相符。对于我们这些认为观察到的亚原子粒子世代是未被发现的物理学诱人暗示的人来说，过去的几十年是令人沮丧的。但现在我们有了探索新领域的真正机会。
2011年，大型强子对撞机以7万亿电子伏特（7 TeV）的能量碰撞质子束，是之前世界纪录（费米实验室的Tevatron保持了四分之多世纪）的3.5倍。在那一年，大型强子对撞机从碰撞中输出了Tevatron在其整个28年运行生涯中数据量的一半。2012年，欧洲核子研究中心将大型强子对撞机的能量提高到8 TeV，然后在年底启动临时停机，以进行维修和改进。大型强子对撞机计划于2014年恢复运行，并于2015年初开始全面计划，以13或14 TeV的能量碰撞质子束。
2012年能量的适度增加对前子搜索意义重大。加速器运行的改进提高了光束的亮度和持续时间，使碰撞次数增加了四倍。此外，光束能量的少量增加使高能碰撞的次数增加了五倍——这些碰撞探测最小的尺寸，并且正是我们需要检查以寻找前子证据的事件类型。由于这两项改进，2012年的数据为前子猎人提供了20倍于2011年的感兴趣碰撞，并将前子的最大允许尺寸缩小了一半。正在进行的分析应使我们能够再次将最大尺寸缩小一半——甚至可能找到前子本身！对于我们这些寻找宇宙最终构建块的人来说，未来五年将是一个激动人心的时刻。
除了大型强子对撞机之外，费米实验室的研究计划正在进行根本性的调整，这将包括寻找前子直接证据的新能力。自从Tevatron于2011年退役以来，费米实验室的加速器不再处于粒子物理学的能量前沿。相反，费米实验室正在向强度前沿推进，以前所未有的精度探索罕见的现象。其中两项实验与前子搜索最相关。一项将测量μ子的磁矩，另一项将寻找衰变为单个电子而不产生任何中微子的μ子。
寻找夸克和轻子内部结构的前景比以往任何时候都更加光明。当您阅读本文时，我和我的同事们正在梳理已经获得的大量大型强子对撞机数据。我们正在寻找夸克和轻子具有非零尺寸的证据。我们正在寻找第四代夸克和轻子，以及力载粒子也具有世代的一些证据——介导弱核力的W和Z玻色子具有更重的表亲。
未来几年将标志着进入亚原子领域的新征程的开始，这是一次科学家上次遇到还要追溯到25多年前的旅程，当时Tevatron开始运行。像昔日无畏的冒险家一样，物理学家们正在勇往直前，开辟通往量子前沿的道路。