精度推至10?2?米，科學(xué)家深入探查夸克內(nèi)部，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

物質(zhì)究竟由什么構(gòu)成？這個(gè)問題人類已經(jīng)追問了幾千年，每一次以為找到了終點(diǎn)，卻總在前方發(fā)現(xiàn)另一扇門。

CERN大型強(qiáng)子對撞機(jī)上的CMS實(shí)驗(yàn)合作組最新發(fā)表的研究，將這個(gè)問題推進(jìn)到了前所未有的深度。科學(xué)家們利用LHC第二輪運(yùn)行產(chǎn)生的海量碰撞數(shù)據(jù)，將夸克探測精度推至10?2?米量級，相當(dāng)于質(zhì)子直徑的十億分之一。在這個(gè)尺度上，夸克依然沒有露出任何"內(nèi)部構(gòu)造"的痕跡。

這是迄今為止人類在這一方向上設(shè)定的最嚴(yán)格約束。

盧瑟福式的追問，LHC規(guī)模的實(shí)驗(yàn)

理解這項(xiàng)研究，需要先回到一百多年前的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。

1909年，歐內(nèi)斯特·盧瑟福將α粒子束射向極薄的金箔，通過測量粒子被彈開的角度分布，他驚訝地發(fā)現(xiàn)原子中央藏著一個(gè)極小而致密的原子核，徹底推翻了當(dāng)時(shí)"棗糕式"原子模型。這個(gè)邏輯今天依然有效：如果一個(gè)粒子內(nèi)部存在更小的結(jié)構(gòu)，高能粒子打上去之后，散射角的分布會偏離"點(diǎn)狀粒子"的理論預(yù)測。

CMS實(shí)驗(yàn)用的正是這套邏輯，只是規(guī)模擴(kuò)大了數(shù)十億倍。在LHC內(nèi)部，兩束質(zhì)子以接近光速的速度對撞，碰撞瞬間質(zhì)子分裂，露出內(nèi)部的夸克。出射的夸克隨即轉(zhuǎn)化為兩道粒子噴流，CMS探測器精確記錄這兩道噴流之間的散射角分布，再與夸克為純粹點(diǎn)狀粒子時(shí)的理論預(yù)測進(jìn)行比對。

結(jié)果是：兩者高度吻合，沒有發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)意義上的顯著偏差。

質(zhì)子在1968年被證明由夸克組成，但夸克是否由更小的粒子組成的問題尚未得到解答。圖片來源：A. Iqbal/CMS

如果夸克真的由更小的粒子組成，也就是物理學(xué)家所說的"復(fù)合結(jié)構(gòu)"，這些子粒子的相互作用會在特定能量尺度上留下可測量的印記。CMS此次分析將這種"復(fù)合性"能量尺度的下限推至37 TeV，遠(yuǎn)高于以往任何實(shí)驗(yàn)的約束，對應(yīng)的空間尺度精度達(dá)到10?2?米。換句話說，如果夸克內(nèi)部確實(shí)存在更小的結(jié)構(gòu)，其尺寸必須小于這個(gè)數(shù)值，否則CMS早就看到信號了。

"最小構(gòu)成"的邊界，還在向前推移

這個(gè)結(jié)果本身并不令人意外，但它的價(jià)值不在于"發(fā)現(xiàn)了什么"，而在于"把邊界推得更遠(yuǎn)"。

粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型將夸克和電子等粒子定義為基本粒子，即沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的點(diǎn)狀客體。這一框架在過去幾十年里經(jīng)受了無數(shù)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，表現(xiàn)極為穩(wěn)健。但歷史的教訓(xùn)恰恰告訴我們，"暫時(shí)看不到內(nèi)部結(jié)構(gòu)"并不等于"沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)"，原子核、質(zhì)子、中子都曾經(jīng)被認(rèn)為是不可分割的基本單元，卻一次又一次被證偽。

夸克的故事會不會重演？這正是CMS不斷向更小尺度推進(jìn)的動力所在。

從理論層面看，弦理論和超對稱理論等多種擴(kuò)展框架均允許夸克存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只是尺度可能極小，超出當(dāng)前對撞機(jī)的探測能力。一些理論物理學(xué)家提出了"前夸克"或"次夸克"的概念，作為標(biāo)準(zhǔn)模型之下更基礎(chǔ)層級的候選者。但截至目前，這些想法沒有任何實(shí)驗(yàn)證據(jù)支撐，而每一次新的精確測量，都在進(jìn)一步壓縮這類理論的生存空間。

CMS合作組指出，即將到來的LHC第三輪運(yùn)行和未來的高亮度LHC（HL-LHC）升級，將大幅提升碰撞數(shù)據(jù)量，使散射角測量的統(tǒng)計(jì)不確定性顯著下降。屆時(shí)，探測靈敏度有望進(jìn)一步突破，或?qū)⒖淇藦?fù)合性能量約束再向前推進(jìn)數(shù)個(gè)量級。

現(xiàn)在的答案是：在10?2?米之上，夸克還是那個(gè)"最小的盒子"，里面什么也沒有。但這扇門，從未真正關(guān)上過。