• 宇宙迷宮 │ 物質之謎新發現(李偉才)

  • 發布日期:2021-03-27 10:00
  • 宇宙迷宮 │ 物質之謎新發現(李偉才)

 

本月(2021年3月)初,歐洲核子研究中心(CERN)宣布,曾經因為發現「赫格斯波色子」(Higg’s boson)而聲名大噪的大型強子對撞機(Large Hadron Collider ,簡稱LHC),發現了4種新的粒子。這些粒子有些是科學家意料之內,也有屬意料之外的。但無論怎樣,這項發現進一步加深了我們對「物質之謎」的了解。

現代科學的一項偉大成就,正是在解答「物質之謎」的道路取得重大突破。中國古代認為「金、木、水、火、土」的「五行」是萬物之本;古希臘的「四元素說」則認為水、火、空氣和泥土築構了宇宙。過去百多年的科學探究則揭示,縱使世間上的物質千差萬別,原來都是由不足一百種的元素(elements)所組成。

表面看來,近一百種元素較古人的構想複雜得多,但研究下來,構成每種元素的原子(atom),原來都只是由三種粒子所組成:組成「原子核」(atomic nucleus)的質子(proton)和中子(neutron),以及環繞著原子核運行、並且決定著元素的物理和化學特性的電子(electrons)。再進一步的研究顯示,質子和中子實由更微小的「夸克子」(quark)所組成。也就是說,物質的基本構成磚只有兩種:電子和夸克子。

但發展下去,情況卻也比我們原先的構想複雜。雖然電子只有一種,但夸克子卻有6種之多,科學家把它們冠以「上、下、粲、奇、底、頂」(up, down, charm, strange, bottom, top)這些古怪的名稱。質子乃由兩顆「上夸克」加一顆「下夸克」所組成,而中心則由兩顆「下夸克」和一顆「上夸克」所組成。

還有的是,在粒子世界裡,每種粒子都有它的「反粒子」(anti-particle)。把它們計算在內的話,宇宙間的夸克子實有12種之多。

心水清的朋友會立刻想到,12種夸克不是可以構成更多的「組合粒子」嗎,為什麼只有質子和中子兩種?而其他的夸克子又是在那兒找到的?

一點不錯,12種夸克的確可以構成很多其他粒子,它們包括由一顆夸克和它的反粒子所組成的各色各樣的「介子」(meson),而三顆夸克除了可以組成上述的質子和中子外,還可以組成一些稱為 Delta、 Lamda、 Sigma等粒子。文首提到的新粒子,則是由4顆夸克所組成的「四夸克子」(tetraquark)。這類粒子最先於2003年發現。在2015年,科學家更發現了由5顆夸克組成的「五夸克態」(pentaquark)。

既然「四夸克態」甚至「五夸克態」已早被發現,文首的發現有什麼重大意義呢?意義在於,這些「多夸克組合」理論上種類繁多,但在實驗中(主要透過超高能粒子的猛烈碰撞)卻極其罕見。究竟什麼組合在什麼情況下才會出現,將會大大加深我們對粒子理論的了解。

極其重要的一點是,除了電子、質子和中子外,上述所有粒子的壽命都非常之短。其中最長的也只有億分之一秒,最短的只有兆兆兆…分的一秒。上述三種粒子,仍是宇宙的基本構成磚。

過去大半世紀,無數科學家努力建立了粒子物理學的「標準模型」(Standard Model)。這個理論框架在很多方面取得了重大的成就,但也有不少現象是理論難以解釋的。科學家普遍相信,「模型」其實並不完備,而它的成功,便有如牛頓物理學在當年的空前成功一樣。也就是說,正如相對論之超越牛頓理論,一個更深刻更完備的粒子理論將會超越「標準模型」。

不知將會創立這個新模型的愛因斯坦正在哪裡呢?

李偉才

科普達人

圖片來源: Freepik
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