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探索煌瑟夸克的神秘本质,宇宙最小粒子的奥秘,揭开物质基本构成的

陈思存 2025-11-02 00:18:14

每经编辑|陈昕颖    

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潜(qian)入(ru)亚原(yuan)子深(shen)渊:煌(huang)瑟(se)夸克(ke)的幽灵(ling)舞(wu)步

当我(wo)们仰望星(xing)空,被(bei)浩瀚宇宙(zhou)的壮(zhuang)丽所(suo)震撼时,是(shi)否(fou)曾想(xiang)过(guo),这(zhe)无(wu)边无(wu)际的星辰(chen)大海,包(bao)括我们(men)自身,究竟是由(you)什么构成的(de)?答(da)案并(bing)非(fei)简单的(de)“原子”,而是(shi)隐藏(cang)在原子内部,比(bi)原子还要微小(xiao)的(de)基本粒(li)子——夸(kua)克。而在这众多的夸(kua)克家族中(zhong),有一(yi)个成员(yuan),它的存(cun)在如同宇(yu)宙(zhou)深处的幽灵,神秘而难以捉(zhuo)摸,它就是——煌瑟(se)夸克(ke)。

煌瑟夸(kua)克(ke),这个名(ming)字本(ben)身(shen)就带(dai)着一丝(si)神(shen)秘(mi)的(de)韵(yun)味,仿佛来自遥(yao)远(yuan)的星(xing)系,又或是(shi)古老的(de)传(chuan)说(shuo)。在(zai)粒(li)子(zi)物理(li)学的标准模型中,夸(kua)克被(bei)分为六种(zhong)“味”,分(fen)别(bie)是上(shang)(up)、下(down)、粲(charm)、奇(qi)(strange)、顶(ding)(top)和(he)底(bottom)。煌瑟夸克(ke),正是(shi)“粲”夸(kua)克(ke)的中文(wen)意(yi)译。

它(ta)们是构(gou)成质子和(he)中子的基本单元,而(er)质子和(he)中子(zi)又构成了(le)原子核(he),原子(zi)核(he)再与(yu)电子(zi)结合,最终(zhong)形成了我(wo)们(men)所看到(dao)的一(yi)切(qie)物质。可(ke)以说(shuo),煌(huang)瑟夸克(ke)是构成我(wo)们(men)存在的(de)最基(ji)础的(de)“积木(mu)”。

这些(xie)微小的粒(li)子并非(fei)我们日(ri)常可见(jian)的固体(ti)颗粒。它们生活(huo)在一(yi)个我(wo)们难(nan)以(yi)想象(xiang)的量子(zi)世界(jie)里,遵(zun)循着(zhe)一套(tao)与(yu)宏观世界截(jie)然(ran)不同(tong)的(de)物理定律(lv)。夸(kua)克(ke)从(cong)不(bu)以“单(dan)身”的(de)形式出现,它们(men)总(zong)是成对或成(cheng)群地结(jie)合(he)在一(yi)起,形(xing)成(cheng)我们所(suo)说的“强子(zi)”。这种(zhong)奇特的(de)“禁闭(bi)”现(xian)象,是(shi)夸(kua)克(ke)最令(ling)人着(zhe)迷(mi)的特性(xing)之一(yi)。

想象(xiang)一下(xia),你试(shi)图(tu)拉伸一(yi)根(gen)橡(xiang)皮(pi)筋(jin),它会越拉越紧(jin),但你(ni)无法(fa)将(jiang)它拉断(duan),反而会产生更(geng)大(da)的力量将(jiang)其(qi)拉(la)回。夸克(ke)之(zhi)间(jian)的(de)强相(xiang)互(hu)作(zuo)用(yong)力就(jiu)是(shi)如此,距离越远,它(ta)们之(zhi)间的吸引力就(jiu)越(yue)强,直(zhi)到(dao)能量高到(dao)足以(yi)创造(zao)出新的(de)夸克-反夸克(ke)对(dui),重新(xin)形成新的强子。这(zhe)种(zhong)“confinement”使(shi)得单独的(de)煌瑟(se)夸克(ke),或者(zhe)说任何(he)一种夸克,都无法(fa)被独立观测到,它(ta)们(men)的(de)存在(zai)只能(neng)通过(guo)它(ta)们构成的(de)粒子来推(tui)断。

煌瑟夸(kua)克又(you)有什(shen)么特别之(zhi)处呢(ne)?与其(qi)他“轻”的夸(kua)克(如上夸克和下夸(kua)克)相比(bi),煌(huang)瑟夸(kua)克要(yao)沉(chen)重得多(duo)。这(zhe)种(zhong)“质量(liang)”的差(cha)异,正是粒(li)子物(wu)理学(xue)中一(yi)个深刻问题的体现:为什么粒子会(hui)有质(zhi)量(liang)?标(biao)准模(mo)型中(zhong)的一(yi)个关键概(gai)念是希格(ge)斯(si)场,以及(ji)与之(zhi)相关(guan)的希(xi)格斯玻色子。希(xi)格斯场弥漫(man)在(zai)整个宇(yu)宙中(zhong),粒(li)子与希格(ge)斯场(chang)的相互作用(yong)程(cheng)度不同,决(jue)定(ding)了(le)它们的(de)质量大小。

煌瑟夸(kua)克由于其(qi)自身的特(te)性,与(yu)希格(ge)斯场(chang)的(de)相互(hu)作用尤(you)为复杂,这(zhe)使得研究它们(men)的质(zhi)量和行为(wei),成(cheng)为理解希格斯机(ji)制和粒子(zi)质(zhi)量(liang)起源的(de)关键(jian)。

科(ke)学家们(men)通(tong)过建造庞大的(de)粒子(zi)加速器,如(ru)欧洲核子(zi)研(yan)究(jiu)中心(xin)(CERN)的大(da)型(xing)强子(zi)对(dui)撞(zhuang)机(ji)(LHC),模拟(ni)宇宙(zhou)大爆(bao)炸(zha)初(chu)期极(ji)高的(de)能量(liang)环境(jing),来“撞击”出这些(xie)微小的(de)粒子(zi),并(bing)探测(ce)它们(men)的痕迹。在(zai)这(zhe)些高能(neng)碰撞(zhuang)中,煌(huang)瑟(se)夸克会(hui)在极短的(de)时间内产生(sheng),然后迅(xun)速衰变成(cheng)其他更稳定的(de)粒(li)子(zi)。

探测(ce)器就(jiu)像是拥有超级(ji)视力(li)的(de)显微镜(jing),记(ji)录(lu)下这(zhe)些短(duan)暂的“粒子(zi)轨迹”,科学(xue)家们通(tong)过(guo)分(fen)析这些轨迹(ji)和能(neng)量分布,才能(neng)“拼凑”出(chu)煌(huang)瑟(se)夸克(ke)存在的(de)证(zheng)据(ju),并(bing)推断(duan)出它(ta)们(men)的(de)性质。

每(mei)当(dang)科学家在实(shi)验中发(fa)现(xian)与理论预测(ce)相符的煌(huang)瑟(se)夸(kua)克信(xin)号(hao),那(na)都(dou)是(shi)一(yi)次对宇(yu)宙基本(ben)规(gui)律的重(zhong)大确认(ren)。每一(yi)次成(cheng)功的(de)观测,都像(xiang)是(shi)在(zai)黑暗(an)中(zhong)点(dian)亮了一盏(zhan)小小(xiao)的(de)灯,照亮(liang)了我(wo)们(men)对(dui)物质(zhi)构成(cheng)理解的边界(jie)。这(zhe)仅仅是冰山一角。煌(huang)瑟夸(kua)克所处(chu)的(de)量子世界(jie),充(chong)满了不(bu)确定性和概率(lv),它们遵(zun)循(xun)着概(gai)率波(bo)的描(miao)述,而(er)非经典物理(li)中(zhong)的(de)确(que)定(ding)性(xing)轨道。

这种(zhong)“量子叠加(jia)”和“量(liang)子纠(jiu)缠”等(deng)现(xian)象(xiang),更是(shi)将我(wo)们带入(ru)了一个(ge)更加奇幻(huan)的(de)领(ling)域,挑战着我们(men)对现实的认(ren)知(zhi)。

探索煌瑟夸克的(de)神秘本质,不(bu)仅仅是(shi)对(dui)一(yi)个(ge)微小粒子(zi)的(de)好(hao)奇,更是(shi)对(dui)宇宙(zhou)终极(ji)奥(ao)秘的追(zhui)寻。它们如同宇宙编(bian)织(zhi)的丝线,虽然微(wei)小(xiao),却构成了(le)我(wo)们(men)所感(gan)知(zhi)的(de)一切(qie)。它们的性(xing)质,它们与(yu)其(qi)他粒子(zi)的相(xiang)互作用,它(ta)们的(de)产生(sheng)和(he)衰(shuai)变(bian),都(dou)蕴含(han)着关于宇(yu)宙(zhou)诞生(sheng)、演化以(yi)及基本(ben)物理(li)定(ding)律的(de)深刻信(xin)息。

这是一场(chang)跨越(yue)时空(kong)的智(zhi)力(li)冒(mao)险,一次深(shen)入物(wu)质(zhi)最深(shen)层(ceng)结构(gou)的探(tan)索,而(er)煌瑟(se)夸克(ke),正是(shi)这场冒(mao)险(xian)中最引人(ren)注(zhu)目(mu)的“向(xiang)导(dao)”之一。

解(jie)码宇(yu)宙密(mi)码:煌瑟夸克与(yu)物质(zhi)起(qi)源的宏(hong)伟叙事

在(zai)第一(yi)部分,我们(men)已(yi)经(jing)潜入了亚(ya)原子(zi)深渊(yuan),初(chu)步认识(shi)了煌(huang)瑟(se)夸(kua)克——一(yi)种(zhong)奇(qi)特而(er)重要(yao)的基本粒子。但煌瑟夸克的故(gu)事远不(bu)止于此,它们(men)与(yu)宇宙(zhou)的(de)宏伟叙(xu)事(shi)紧密(mi)相连(lian),是理解(jie)物(wu)质起源和基(ji)本(ben)物(wu)理规(gui)律的关(guan)键。让我(wo)们继续(xu)深(shen)入(ru),揭(jie)开更(geng)多(duo)隐藏在(zai)煌(huang)瑟(se)夸克(ke)身(shen)后的(de)秘密(mi)。

煌瑟夸(kua)克(ke)之所(suo)以(yi)如(ru)此重(zhong)要,很(hen)大程度上是因(yin)为它(ta)们(men)在理解(jie)“夸克禁(jin)闭”和(he)“渐(jian)近自(zi)由”这(zhe)两个(ge)看似(shi)矛盾(dun)但又并存的(de)现象中(zhong)扮演了核(he)心角(jiao)色(se)。夸克(ke)之(zhi)间的(de)强(qiang)相互(hu)作用力(li),也(ye)就(jiu)是(shi)“强核(he)力(li)”,是由(you)一种(zhong)被称(cheng)为“胶子”的粒子(zi)传递(di)的。胶子本(ben)身(shen)也携带“色荷(he)”,这意(yi)味着(zhe)它(ta)们(men)自(zi)己也能与强(qiang)核力相(xiang)互(hu)作用。

正是这(zhe)种(zhong)“自相(xiang)互作(zuo)用(yong)”,导(dao)致(zhi)了(le)奇特(te)的(de)现象:当(dang)夸(kua)克(ke)距离(li)很近(jin)时(例如在质子(zi)内部),它(ta)们之间(jian)的(de)相(xiang)互作用力(li)非常(chang)弱,几(ji)乎可(ke)以被看作是自(zi)由(you)粒子,这被称为“渐(jian)近(jin)自由”。一旦试图(tu)将(jiang)它们(men)分开(kai),它们之(zhi)间(jian)的吸(xi)引力(li)就会(hui)急(ji)剧增强(qiang),直到产(chan)生(sheng)新(xin)的(de)夸克-反夸克(ke)对(dui),形成(cheng)新的(de)强(qiang)子(zi),这就是“夸(kua)克禁(jin)闭”。

煌(huang)瑟夸克,由于其(qi)较大的质量,在(zai)强相互作(zuo)用(yong)中(zhong)表现出(chu)一些独(du)特的行为。通过(guo)研究含有煌瑟(se)夸(kua)克的强子(如(ru)D介子和(he)J/ψ介(jie)子),科学家们能够(gou)更精确(que)地检验量(liang)子色动力(li)学(QCD)——描述(shu)强相互(hu)作用(yong)的理(li)论。QCD是(shi)粒子(zi)物理(li)学标(biao)准模(mo)型的重(zhong)要组成(cheng)部分(fen),它解释了(le)质子和中(zhong)子是如何(he)被(bei)束缚在(zai)一起的,以(yi)及(ji)为(wei)什(shen)么(me)我们(men)看不(bu)到自(zi)由的(de)夸克。

对煌瑟夸克的(de)精确(que)测量(liang),例如它(ta)们(men)的质(zhi)量、寿命以(yi)及(ji)衰变模(mo)式,就像是在进(jin)行一项精密的“基因测序(xu)”,帮助(zhu)我们(men)理解(jie)QCD的数学结(jie)构(gou)和它在(zai)不(bu)同(tong)能(neng)量尺度下的行(xing)为。

煌瑟夸克的性质也(ye)与宇(yu)宙中最深(shen)刻的谜团之(zhi)一(yi)——物(wu)质-反物(wu)质不(bu)对称性——有着潜(qian)在的(de)联系。在宇(yu)宙大爆炸初(chu)期,理论上物(wu)质(zhi)和(he)反物质应(ying)该(gai)是等量(liang)产生(sheng)的。我(wo)们今天生活的(de)宇宙(zhou)中,几乎完(wan)全是物质(zhi)构(gou)成(cheng)的。这意味着(zhe)在(zai)早期宇(yu)宙(zhou)中,一定存(cun)在(zai)某种机(ji)制,导致(zhi)物质比(bi)反物质稍(shao)微多(duo)一些,或(huo)者(zhe)反物(wu)质比(bi)物(wu)质(zhi)稍微(wei)少一些(xie),从(cong)而使(shi)得反物质大(da)部(bu)分被湮灭,而留(liu)下了我们(men)看到(dao)的物质世界。

物(wu)理学(xue)家们(men)在研究某(mou)些含(han)有(you)煌(huang)瑟(se)夸克的(de)粒子(zi)衰变(bian)时,发(fa)现了(le)一些(xie)微小的“CP破(po)坏”现象。CP对(dui)称性(xing)是(shi)指(zhi),如果一个(ge)过程是可(ke)行的(de),那么(me)它的(de)镜像(xiang)过程(将所有粒(li)子(zi)替(ti)换为(wei)其对(dui)应的(de)反(fan)粒子)也应该(gai)是(shi)可行的(de)。在某些(xie)夸(kua)克衰(shuai)变(bian)过(guo)程中(zhong),CP对称(cheng)性(xing)似乎被(bei)打破(po)了。这种(zhong)CP破坏,虽(sui)然(ran)在实验(yan)中非(fei)常微小(xiao),却可能(neng)是解(jie)释(shi)宇宙中(zhong)物质-反(fan)物(wu)质不(bu)对称性的(de)一个(ge)重要线(xian)索(suo)。

如果(guo)煌(huang)瑟夸克在早(zao)期(qi)宇(yu)宙的(de)演化中扮演了某(mou)种(zhong)角色(se),那(na)么它(ta)们(men)微小(xiao)的CP破(po)坏效(xiao)应,可能(neng)就(jiu)积累(lei)成了今(jin)天(tian)我们看到的(de)宏(hong)观物(wu)质过剩。

科(ke)学家们利用(yong)粒子加(jia)速器不断(duan)地提高碰撞(zhuang)能(neng)量,希(xi)望能(neng)更(geng)频(pin)繁地(di)产生(sheng)和更精确(que)地(di)探测(ce)煌瑟夸(kua)克(ke)及其(qi)相关(guan)的(de)衰变过(guo)程。每一(yi)次新(xin)的实验(yan)数(shu)据,都(dou)是(shi)对(dui)现(xian)有理(li)论(lun)的检验和(he)修正(zheng),也(ye)是为解(jie)开宇(yu)宙(zhou)密(mi)码(ma)提(ti)供的(de)新线索。例如,通(tong)过(guo)对D介子(zi)的精(jing)确测量,科(ke)学家(jia)们(men)不仅在(zai)验证QCD,也(ye)在寻找超出(chu)标准模型(xing)的(de)新(xin)物(wu)理(li)现象。

这些“新物理(li)”可(ke)能(neng)隐藏(cang)在(zai)那(na)些(xie)未(wei)被预(yu)料(liao)到(dao)的衰变模式(shi),或是(shi)与标准模(mo)型预(yu)测(ce)不(bu)符的概率(lv)中。

煌瑟(se)夸克的(de)探索,也推动了(le)数学和(he)计算科(ke)学的(de)发(fa)展。由于夸(kua)克之间的强(qiang)相(xiang)互(hu)作用(yong)非常(chang)复杂(za),需要强(qiang)大(da)的(de)计算能(neng)力才能进(jin)行精(jing)确的(de)模拟(ni)。latticeQCD(格子(zi)QCD)等计(ji)算方(fang)法,允许科学家们在(zai)计算(suan)机上模拟夸克(ke)和(he)胶子的(de)行(xing)为(wei),从而预测实验(yan)结(jie)果(guo)。这些计(ji)算(suan)不仅(jin)帮助理(li)解(jie)煌瑟(se)夸克(ke),也(ye)为(wei)研究更广泛的(de)物理(li)现象(xiang)提供(gong)了强(qiang)大(da)的工(gong)具(ju)。

总而(er)言之(zhi),煌瑟(se)夸克虽(sui)然是我(wo)们肉(rou)眼无(wu)法触(chu)及(ji)的存在,但它(ta)们(men)却是(shi)构成我(wo)们(men)宇宙(zhou)的(de)最基(ji)本砖(zhuan)块(kuai)之(zhi)一(yi)。从解释(shi)物质(zhi)为(wei)何(he)具(ju)有质(zhi)量(liang),到理(li)解夸克(ke)之间(jian)的(de)强相互(hu)作(zuo)用(yong),再(zai)到探(tan)索宇宙大(da)爆炸(zha)初期(qi)的物(wu)质-反(fan)物质失衡(heng)之谜,煌瑟(se)夸克的神(shen)秘(mi)本质(zhi)贯穿(chuan)了粒子物理(li)学的许多(duo)核心(xin)问(wen)题(ti)。对(dui)它(ta)们的(de)探索(suo),就(jiu)像是在(zai)解读(du)宇宙(zhou)的“基(ji)因图谱”,每(mei)一次新的(de)发现,都让我们(men)离理(li)解宇(yu)宙最深(shen)层的(de)秘密更(geng)近一(yi)步。

这(zhe)是(shi)一场(chang)永无止(zhi)境的(de)科学之旅,而煌瑟夸(kua)克,将(jiang)继续在其中扮(ban)演着(zhe)不(bu)可(ke)或(huo)缺(que)的角色(se),指(zhi)引我(wo)们穿越(yue)时空(kong)的低(di)语(yu),揭示(shi)物质(zhi)基本构成(cheng)的宏伟叙(xu)事。

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图片来源:每经记者 陈舒平 摄

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