亚原子难题：夸克和轻子正在隐藏另一水平的物质吗？

夸克和轻子是已知最小的亚原子粒子。标准模型允许一个甚至更小层的物质来存在吗？

HARD SCIENCE — AUGUST 5, 2024

Don Lincoln

Credit: Justlight / Adobe Stock

关键要点

夸克和轻子是目前已知的最小的物质构建块。

当夸克和轻子被组织时揭示一种模式，一种提示甚至更小的亚原子粒子的可能性。

是否这些更小的粒子存在或者是否一些其他原因解释这种模式仍然是一个秘密。

什么是物质的最基本的性质？早在2500年前，希腊哲学家辩论了这个问题。德谟克利特和他的导师留西浦斯（Leucippus）前进了被现代科学接受的最相似的模型。他们提出了在最小的尺度上，这个世界是由原子（希腊语为“不可切割的”）组成的。

尽管它们名字中的相似性，但那个原子与我们今天叫原子的不是相同的。那个原子一词被打算来描述物质的最小构建块。相比之下，我们知道原子被甚至更小的粒子组成：质子、中子和电子。从1964年开始，科学家们意识到质子和中子它们自己由甚至更小的叫夸克的粒子组成。电子出现没有更小的成分并且是一类叫轻子的粒子中的一员。轻子有两种：一种带电荷和另一种电中性的。中性的轻子被称为中微子。

我们目前知道六种类型的夸克，有一些病态的名字：上、下、魅、奇、顶和底。上夸克和下夸克被发现在质子和中子内部：质子（上、上、下）和中子（上、下、下）。还有六种轻子，三种有一个电荷和三种中性的。三个带电轻子是电子、μ介子和τ轻子。三个中性轻子是电子中微子、μ介子中微子和τ中微子。

已知的夸克和轻子在它们的属性上展示模式。有三个“碳拷贝”，其中每个拷贝都重复其他拷贝的属性。这种模式是不能解释的，但可能可能是夸克和轻子被更小的粒子组成的暗示。

夸克和轻子能被以一种揭示一种模式的方式组织。从一个其中质子有一个为+1的电荷、电子有一个为-1的电荷和中子有一个零电荷的单位系统开始。在这个系统中，上夸克、魅夸克和顶夸克都有一个+2/3的电荷。下夸克、奇夸克和底夸克有一个为-1/3的电荷。电子、μ介子和τ轻子都有一个-1的电荷，而所有中微子都有零电荷。

然后，这些粒子能被分为三个叫“世代” 的分明的家族。第一代包含上、下夸克、电子和电子中微子。第二代包含魅和奇夸克、μ介子和μ介子中微子。最后，第三代包含顶夸克和底夸克、τ轻子和τ中微子。.

所有普通物质都能被第一代粒子弄成。第二代和第三代粒子是不稳定的并迅速的衰变为第一代粒子。它们比第一代的粒子的也逐渐更大质量的。

这种模式的起源还没有被理解。当我们的宇宙似乎只被第一代粒子构成时为什么应该有三代的物质呢？这是物理学中一个没有被回答的重大问题。

虽然科学家们确实对这个问题没有答案，但一些研究人员相信这种模式是比夸克和轻子更小的粒子存在的证据。.

历史类比

历史教导我们在亚原子物理学中一个不能解释的模式往往被更小粒子的存在解释。例如，1869年德米特里·门捷列夫发明了化学元素周期表。他将有相似反应属性的元素一起排列成列组织。第一行中的元素是更轻的，在接下来的行中变的更重。 

19世纪末的科学家们不能解释他们在元素周期表中看到的模式；然而，我们现在明白了为什么。每列中的元素有相似的化学反应性，因为它们有相似的电子结构。例如，碱（如氢、锂、钠和钾）是反应性的因为在它们的外轨道中一个没有被配对的电子。相比之下，惰性气体（如氦气、氖气、氩气、氪气和氙气）化学上是惰性的，因为它们的轨道被填满，没有留下电子来与其他原子相互作用。

化学元素周期表展示当它被发明时不能解释的模式。每一列都包含有相似化学属性的元素，而每一行都包含比它上方元素更重的元素。这些模式被现代原子结构的理论解释。

从元素周期表的上排移动到下排质量中的增加是由于质子和中子的数量的一个稳步增加。简而言之，19世纪末不能解释的元素周期表中的模式在20世纪初当原子结构被发现时变得被充分解释。

还有另一个类似但不太熟悉的亚原子物理学中暗示着后来发现的子结构模式的示例。这些模式被从20世纪40年代中期到60年代中期观察到，一个其中物理学家发现了他们叫 “粒子动物园” 的时代。用粒子加速器，物理学家将质子或电子碰撞进目标并创造了以前从未观察到过的粒子。发现了数百种不同类型的粒子。这些粒子有一个阵列的属性——不同的电荷、寿命、质量、亚原子自旋和一种称为“奇异性”的神秘属性

奇异性被分配给易于来制造但衰变缓慢的粒子。奇异度为1的粒子会衰变成正常粒子。奇异度为2的粒子会衰变为奇异粒子，然后衰变为正常粒子。

20世纪50年代，物理学家发现了数百种没有在自然界中发现的粒子。这些粒子有一个阵列的质量、电荷、寿命、自旋和“奇异性”。奇异性是一种奇怪的粒子很容易制造但衰变缓慢的属性。当这些粒子按电荷（Q）和奇异性（S）排列时排列呈现了几何形状。这种形状的解释当夸克理论被发展时被揭示，该理论表明这些粒子包含一个内部结构。

当研究人员将20世纪中期发现的粒子排列用电荷和奇异性作为组织参数时结果是几何图案。这些模式被夸克的存在解释。上夸克、下夸克和奇夸克的不同组合产生了几何模式。

夸克和轻子结构

目前，在夸克和轻子中看到的模式仍然不能被解释，但鉴于历史的教训，来假设夸克和轻子本身可能被仍旧更小的粒子创造似乎是合理的。甚至为这些还没有被发现且完全的假设的粒子有一个名字。它们被称为前子（preons）。

有许多不同的前子模型，但没有一个已经被证实。真的，有理由来怀疑前子的存在的理由。

第一个理由是夸克和轻子的尺寸已经没有被观测到。这并不意味着我们什么东西都不知道。我们已经用最强大的显微镜试图来成像它们。这些显微镜能分辨的最小尺寸约为一个质子大小的1/1000。这些测量没有看到尺寸。因此，我们知道夸克和轻子一定比10^-18米更小。如果在夸克和轻子内部发现了前子，它们一定甚至比这更小。

此外，量子力学的法则对这种大小的物体摆出一个问题。

海森堡测不准原理说我们不能同时的知道一个物体的位置和运动。要很好知道一个就是可怜的另一个。如果我们能将前子的大小约束在10^-18米的物体内，我们对它们的运动不知道。它们可能正在非常快移动，这意味着它们可能有很多能量。用爱因斯坦的方程E=mc^2，这意味着前子一定有一个大于一个质子的质量1000倍以上的质量。鉴于上夸克有一个约为一个质子的0.003倍的质量，我们被留有一个非常烦恼人的情况，其中一个质量为质子0.003倍的物体它至少包含有一个质量是一个质子1000倍的物体。

这听起来荒谬的但它不是不可能的。可能是有一个大的负能量将前子系在一起。如果这是真的，那么负结合能可以抵消前子的大正质量能。但在这一点上这都是猜测。整个前子的想法可能是错误的；真的，在物理学界前子的想法是不利的。

然而，为什么在夸克和轻子的家族中有模式的问题仍然是一个完全的秘密。这些模式告诉了我们某些东西，但要用一个天才（以及一些很好的实验工作）的一个冲击来告诉我们什么。.

https://bigthink.com/hard-science/standard-model-quarks-leptons/