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，为我们的星球沐浴温暖和光明。无线电波将人类的声音从月球表面传回地球，而伽马射线会对我们的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，可以解释所有这一切以及更多。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，控制太阳发电厂的核力，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，它假设存在两种不可分割的物质粒子：夸克和轻子。各种类型的夸克构成质子和中子，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——两种熟悉的力，引力和电磁力，以及不太熟悉的强核力和弱核力。一种或多种被称为玻色子的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。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑支持我们屡获殊荣的新闻报道，方式是 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
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处理一切的粒子？
这些都是有趣的问题。然而，长期以来，另一个谜题引起了我和许多其他物理学家的注意。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成分组成的。如果夸克和轻子根本不是基本的，并且实际上存在更小的粒子，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尚无法想象的现象。
解决这个问题需要科学家以极高的能量将粒子碰撞在一起。自从20世纪70年代观察到夸克以来，我们一直缺乏可能使我们能够窥视其内部的工具。但现在，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）——最近发现了希格斯玻色子的证据，这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。
世代差距
夸克和轻子结构的第一批线索来自对另一个——仍然未解决的——难题的研究，该难题与已发现的不同种类的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。上夸克的电荷为质子的+2/3，下夸克的电荷为质子的−1/3。虽然只有这两种类型的夸克加上电子就足以构成宇宙的物质，但已经观察到其他夸克。奇异夸克具有与下夸克相同的电荷，但它更重。底夸克是更重的版本。同样，粲夸克是上夸克的较重表亲，而超重顶夸克则构成了上夸克家族的完整组成。粒子物理学家已经观察到所有这些夸克，但较重的四个夸克在不到一秒的时间内衰变为最轻的两个。
电子也有重的、不稳定的表亲，μ子和更重的τ轻子，它们的电荷都与电子相同。已知粒子动物园还包括三个中微子副本，所有这些中微子都超轻且电中性。
这种丰富的种类自然而然地导致物理学家提出疑问：鉴于上夸克、下夸克和电子是构建宇宙的唯一必要粒子，为什么它们有这么多表亲？这个问题可以用诺贝尔奖获得者物理学家I·I·拉比在得知μ子的发现时经常引用的俏皮话概括：“谁订购了那个？”
科学家们着手解决粒子家族众多的奥秘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[见上方框]，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，原子内部结构中的系统模式可能解释了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。
标准模型将夸克和轻子视为点状粒子，没有任何内部结构。但是，表格内部的模式，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部更小的物质构件的配置。
20世纪初期，另一个可能与寻找夸克底层结构相关的历史先例是放射性衰变的发现。通过当时不为人知的过程，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，并将铅转化为黄金。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和质子构成夸克的身份，将中子转化为质子（或反之亦然）。这种转变是通过弱核力发生的，弱核力也可以嬗变轻子，尽管夸克不能转化为轻子，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，夸克和轻子的蜕变可能提供关于这些粒子内部更精细细节的又一线索。
部分和粒子
已经出现了许多夸克和轻子的假设构件，每个都有不同的名称，但术语“前子”已经作为所有这些构件的通用描述符而固定下来。在大多数情况下，相同的名称适用于携带作用于这些物质粒子的力的粒子的组成部分。
作为一个例证，考虑一下1979年由当时在斯坦福线性加速器中心的Haim Harari和当时在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Michael A. Shupe独立提出的一个直接模型，随后在1981年由当时都在以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的Harari和他的学生Nathan Seiberg扩展[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物。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。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，有三个+1/3前子和三个零前子。
使用一系列合理的假设，Harari和Shupe假设了第一代所有粒子的前子成分。相同的构件也可以解释胶子，即亚原子粒子，它介导强核力以将夸克结合在一起，形成质子和中子，以及其他携带力的玻色子。
在制定已知夸克、轻子和玻色子的任何底层结构时，诀窍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，或正电子，和一个电子中微子。在Harari和Shupe设计的前子模型中，入射夸克，每个夸克都有三个前子，在碰撞中结合起来产生一个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玻色子分裂开来，喷射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，我讨论了可以称之为夸克和轻子命理学的东西。这只是一种计数游戏，就像平衡化学或数学方程式一样，尽管这是一种严肃且可行的游戏。为了成功，前子模型必须用少量的构件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，将表面上不同的粒子统一起来，而不是一个临时的定义系统，该系统逐个解释它们的属性。在Harari-Shupe模型及其成功的竞争对手中，前子已经实现了这种解释。
然而，您可能已经注意到，到目前为止的讨论只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，人们认为某种未知的机制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。
如果这种解释看起来有点像挥手示意，那确实如此。许多细节尚未解决。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，才从数学上描述了将夸克结合成质子和中子的强力。尽管如此，世代问题仍然明显无法解释，因此一些物理学家提出了竞争模型，其中包括一个模型，其中一个前子携带世代数以及一种称为超色的新电荷，超色将前子绑定在夸克和轻子内部。
虽然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的一个。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量基本主题的变体。有些模型的前子带有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。我们物理学家需要更多的数据来帮助淘汰替代方案。
除了对最小的已知物质碎片可能仍然有更小的碎片这一概念的内在迷恋之外，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启发。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普遍存在的场时会感受到某种阻力，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东西使更高世代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。
在发明更深入的理论之前，亚原子粒子的质量只能通过逐个测量来确定。大概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，但可能仅仅源于设备不足。抛开实验问题不谈，一些担忧是理论本身固有的。这是“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，相关的质量与禁闭尺寸成反比。由于夸克和轻子比质子小得多，因此这条规则暗示，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。质子整体将小于其各部分的总和——实际上，甚至小于各个部分本身。
尽管这个问题似乎无法克服，但物理学家设法绕过了与玻色子相关的类似问题。例如，一个夸克和一个反夸克可以构成一个称为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，使用1961年由当时在欧洲核子研究中心的杰弗里·戈德斯通勾勒出的一个想法，理论家们长期以来已经意识到，底层理论中的对称性可以克服这种困难。因此，π介子的轻盈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·胡夫特提出了一种相关的方法，该方法确实适用于费米子。特·胡夫特的思想是否在实际粒子中得到证实仍然不清楚，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为解决世代问题而探索的唯一途径。一个突出的替代方案是超弦的想法，其中物质的最终构件不是亚原子粒子，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，而整个现实就像一个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比夸克和轻子的尺寸尺度小得多。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，这取决于存在多少层未被发现的物质洋葱层。
在2005年，澳大利亚阿德莱德大学的桑丹斯·比尔森-汤普森设计了一种将前子描述为时空扭曲辫子的方法，这是一种替代前子作为普通粒子（尽管是未被发现的粒子）的想法。这个模型仍处于起步阶段，但物理学家正在探索其含义，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。无论理论多么聪明，如果它不能与测量结果相符，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。该模型中有两个方面看起来特别有吸引力，可以更仔细地探索。
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搜索了夸克或轻子也具有可测量尺寸的证据。到目前为止，所有数据都与零尺寸或非零尺寸（小到质子尺寸的约0.0002至0.001倍）完全一致。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，其当前碰撞产生的海量数据以及计划中的加速器能量升级是我们有望更多地了解夸克和轻子尺寸的两种方式。[中断]
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，电子可以被认为是一个旋转的球，物理学家用自旋量子数来量化该属性。像所有费米子一样，电子据说具有自旋1/2。由于电子带电，自旋和电荷的组合赋予了磁矩，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子的测量结果显示磁矩与预测值不同，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略有不同。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解释。每个轻子都被所谓的虚粒子的瞬逝云包围，这些虚粒子闪烁不定地出现和消失。由于这朵云具有尺寸，因此它会稍微改变轻子的磁矩——大约千分之一。前子的影响会更小，但可能是可检测到的。费米实验室的μ子g-2实验即将进行的新测量将比迄今为止实现的测量精确四倍以上。
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只是第一代的激发态时可以预期的粒子衰变。一个这样的过程是μ子衰变为电子和光子。尚未观察到这种衰变，如果它发生，则发生的频率低于约千亿分之一。
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的诱人暗示的人来说，过去的几十年令人沮丧。但现在我们有真正的机会去探索新的领域。
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（由费米实验室的Tevatron保持了四分之一多个世纪）的3.5倍。在那一年，大型强子对撞机从碰撞中交付的数据量是Tevatron在其整个28年运行生涯中所交付数据量的一半。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，预计在启动为期一年半的临时停机以进行维修和改进之前，数据收集量将增加四倍。大型强子对撞机应在2014年末或2015年初恢复运行，以13或14 TeV和更快的速度碰撞质子束。
2012年能量的适度增加可能看起来只是一个小小的调整，但对于前子搜索来说意义重大。光束能量的微小变化将使最高能量下记录的碰撞次数增加五倍，最高能量探测最小尺寸，而这些正是我们需要检查以寻找前子证据的事件类型。2014年和2015年的升级将使能力得到惊人的提升。
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，这将包括搜索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走在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现象。与前子搜索最相关的两个实验将测量μ子的磁矩，并寻找μ子衰变为电子和光子的过程。
寻找夸克和轻子内部结构的前景比长期以来更加光明。当您阅读本文时，我和我的同事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，以及一些证据表明携带力的粒子也具有世代——即介导弱核力的W和Z玻色子具有更重的表亲。
未来几年将标志着重新开始深入亚原子领域的开始，这是一段科学家们上次遇到还是在25多年前的旅程，当时Tevatron开始运行。就像昔日无畏的冒险家一样，物理学家正在勇往直前，在量子前沿开辟道路。