對于現(xiàn)在的年輕人而言，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為生活中不可或缺的一部分，虛擬世界中的一切，似乎比日常生活中的人、事、物還要真實。在這種環(huán)境下長大的你，是否曾經(jīng)問過：自然世界是由什么組成的？

探索自然世界的組成

在公元前600年的古希臘時代，“自然世界是由什么組成”是一個熱門議題。古希臘哲學(xué)家企圖在神話之外，用理性的思維去了解肉眼所觀察到的自然界中的循環(huán)和變化，譬如：水為何會變成冰，空氣凝結(jié)為何會變成水等等。在米力特斯有三位哲學(xué)家：泰利斯、安奈克西曼德和安那西梅斯，認(rèn)為自然界的一切事物雖然看似變化萬千，但必定是由一種基本物質(zhì)所組成。三人持有不同觀點，分別認(rèn)為這個單一的基本物質(zhì)是水、無界限者或空氣。

100年后，德謨克利特提出了唯物論：每一種事物都是由一種微小且不可分割的積木所組成；他稱這些積木為原子。因為沒有一件事物會來自虛無，所以大自然的積木必須是永恒的。所有的原子都是堅硬結(jié)實的，但卻不是完全一樣，而大自然是由無數(shù)形狀各異的原子所組成。德謨克利特不相信有任何力量或靈魂介入大自然的變化過程，大自然每件事情的發(fā)生都是相當(dāng)機(jī)械化的，萬事萬物都遵守必要的法則。

雖然這些希臘哲學(xué)家的想法非常簡潔漂亮，但是他們并沒有實驗的根據(jù)。2000余年后，俄國科學(xué)家門捷列夫首創(chuàng)化學(xué)元素周期表，把當(dāng)時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的原子依其原子量大小做了排列，同時觀察到這些原子的化學(xué)特性都可以被簡化和分組，暗示了原子是由更小的基本粒子所組成。經(jīng)過了50余年實驗和理論的相互激蕩，物理學(xué)家建立了今天的量子物理標(biāo)準(zhǔn)模型。

在標(biāo)準(zhǔn)模型里，基本粒子包含夸克、輕子和作用子。有六種夸克和六種輕子以及它們的反粒子：上夸克、下夸克、魅夸克、奇夸克、頂夸克、底夸克、電子、渺子、濤子、電子微中子、渺子微中子、濤子微中子。四種作用子負(fù)責(zé)傳遞基本交互作用力：光子負(fù)責(zé)電磁力、膠子負(fù)責(zé)強(qiáng)作用力、而Z玻色子和W玻色子負(fù)責(zé)弱作用力。

夸克之間或輕子之間并不直接交流，而是通過像郵差一樣的作用子來傳遞信息并產(chǎn)生交互作用，所傳遞信息的強(qiáng)度大小取決于粒子所帶的電荷大小以及作用力常數(shù)。夸克因為帶有電磁電荷、色電荷和弱電荷，可以接收到這四種作用子的信息。輕子不帶色電荷，所以接收不到膠子的信息（不參與強(qiáng)作用力）。值得一提的是，微中子只帶有弱電荷，只能感受到弱作用力，被昵稱為“鬼粒子”。

在電磁力、強(qiáng)作用力和弱作用力中，無疑大家最容易感受到、也最熟悉的是電磁力。帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子，借由光子而相互吸引并鍵結(jié)成原子；雖然原子呈電中性，兩個非常靠近的原子就像兩個電偶極一樣相互吸引，這吸引力便是所謂的凡得瓦力，原子群借由凡得瓦力鍵結(jié)而組成了分子。電磁力決定了原子和分子的化學(xué)性質(zhì)。同理，帶有色電荷的夸克（或反夸克）借著膠子而鍵結(jié)成色中性的介子或重子；你所熟悉的質(zhì)子和中子，便是眾多上夸克和下夸克的排列組合中最輕和最穩(wěn)定的重子。而質(zhì)子和中子就像色偶極一樣，相互吸引組成了原子核。弱作用力雖然強(qiáng)度比強(qiáng)作用力和電磁力小了4個～6個數(shù)量級，但它其實是地球生命的起源：弱作用力讓太陽中的氫在一連串的反應(yīng)后轉(zhuǎn)換為氦，并釋放光和熱，而放射性衰變的產(chǎn)物更被拿來應(yīng)用在癌癥治療等醫(yī)學(xué)用途上。

注意！當(dāng)一個粒子被稱為基本粒子時，代表我們認(rèn)為這個粒子無法再被分割，沒有內(nèi)部構(gòu)造。但是，有別于大家對“基本粒子是永遠(yuǎn)不變”的直覺，雖然它們無法被分割，卻可以通過電磁力或弱作用力衰變到其他較輕的基本粒子。在標(biāo)準(zhǔn)模型里，只有第一代粒子組成了穩(wěn)定的物質(zhì)，其他粒子所組成的物質(zhì)（重子或介子）生命期較短，最終都會衰變到第一代粒子或是作用子。

量子物理學(xué)界的當(dāng)前課題

對于“自然世界是由什么組成”這個問題，量子物理標(biāo)準(zhǔn)模型雖然給了我們一個最接近真實世界的答案，但并不是一個最理想和最完整的答案。還有許多問題尚未得到解答，以下提出幾個例子。

現(xiàn)今的物理學(xué)家和希臘哲學(xué)家有同樣的信念，相信自然界可以由少量的法則來決定，但標(biāo)準(zhǔn)模型的基本粒子數(shù)目似乎還是多了些。這是否表示夸克和輕子并不是基本粒子，它們只是一個更基本的粒子在低能量時所展現(xiàn)的一體兩面？又或者基本粒子數(shù)目不少，而我們尚未找到所有的夸克和輕子？細(xì)心的讀者應(yīng)該能發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型尚未把重力納入，是否還有一個重力作用子？另外，這些基本粒子的質(zhì)量范圍甚廣：有比電子輕的微中子，也有重達(dá)184倍質(zhì)子質(zhì)量的頂夸克，二者質(zhì)量差了11個數(shù)量級！為什么這些基本粒子會擁有質(zhì)量？在作用子中，光子和膠子沒有質(zhì)量，但為什么W玻色子和Z玻色子卻是質(zhì)子質(zhì)量的86倍和97倍？是因為它們和希格斯粒子的交互作用？那為什么我們還沒有找到希格斯粒子？在宇宙大爆炸時，估計有相等數(shù)量的正粒子和反粒子，那為什么現(xiàn)在自然界中的穩(wěn)定物質(zhì)都是由正粒子組成的，我們只能在實驗室的產(chǎn)物中看到反粒子？

為了找到這些問題的答案，物理學(xué)家設(shè)計了各種實驗來了解這些基本粒子的性質(zhì)。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，大部分的粒子無法穩(wěn)定存在，但是物理學(xué)家可以在較單純的實驗室環(huán)境里制造，然后用像照相機(jī)一樣的偵測器，把這些粒子或是它們衰變后產(chǎn)物的軌跡記錄下來，再用計算機(jī)分析這些數(shù)據(jù)。

若要制造質(zhì)量較輕的粒子或是它們的反粒子，可以拿高速的電子或質(zhì)子去撞一個金屬靶，然后再過濾掉不想要的產(chǎn)物，這就是所謂的定靶實驗；魅夸克和底夸克便是在美國布魯克海文實驗室、斯坦福直線加速器中心以及費米高能實驗室的定靶實驗中發(fā)現(xiàn)的。但是量子物理學(xué)家除了想了解基本粒子的性質(zhì)外，更想找到希格斯粒子和發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型以外的新粒子；而尚未發(fā)現(xiàn)的新粒子質(zhì)量多半極高，可能是質(zhì)子質(zhì)量的數(shù)百倍甚至千倍。只是定靶實驗有個缺點，那就是無法將整個系統(tǒng)的能量百分之百地都轉(zhuǎn)換成質(zhì)量以產(chǎn)生粒子。既然所有的撞擊都必須維持動量守恒，定靶實驗里的發(fā)射物撞擊金屬靶之后，系統(tǒng)能量有一部分必須貢獻(xiàn)到產(chǎn)物的動能上，使得撞擊后產(chǎn)物的總動量等于撞擊前發(fā)射物的動量。

相反，對撞機(jī)實驗對撞兩個有相同能量但動量相反的質(zhì)子或電子，高質(zhì)量的新粒子可在靜止?fàn)顟B(tài)下產(chǎn)生。也就是說，所有對撞物的能量都被拿來轉(zhuǎn)換成質(zhì)量。而具有高質(zhì)量的W玻色子、Z玻色子以及頂夸克，便是在歐洲核子研究中心及美國費米高能實驗室的質(zhì)子一反質(zhì)子對撞機(jī)實驗里發(fā)現(xiàn)的。

現(xiàn)今能量最高的對撞機(jī)，位于瑞士日內(nèi)瓦近郊的歐洲核子研究中心，也就是大家常在新聞報道里看到的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）。

大型強(qiáng)子對撞機(jī)

LHC是一個圓形加速器，位于地下約100米，周長有26.7千米，主要由一連串的共振腔、1232個偶極超導(dǎo)磁鐵、392個四極磁鐵所構(gòu)成。電場的功用是加速帶電粒子，而磁場的功用是彎曲和聚焦這些帶電粒子，并讓它們在四個對撞點對撞。LHC的四個對撞點各自設(shè)有一個偵測器，測量因?qū)ψ捕a(chǎn)生的粒子的性質(zhì)。整個加速器橫跨瑞士和法國兩個國家，是世界上最貴、最大也是能量最高的強(qiáng)子加速器。所使用的強(qiáng)子大部分是質(zhì)子，一年中只有一個月的時間會進(jìn)行鉛離子的對撞。因此，我們只針對質(zhì)子對撞做介紹。

LHC的整個實驗配置包含LHC加速器、前級加速器以及四個對撞點上的偵測器：超導(dǎo)環(huán)場偵測器（ATLAS）、緊湊渺子線圈（CMS）、大型離子對撞機(jī)（ALICE）和LHC底夸克偵測器（LHCb）。首先，氫原子里的質(zhì)子和電子被解離，質(zhì)子在直線加速器里被加速到5000萬電子伏特。接下來，質(zhì)子被送到半徑越來越大的圓形前級加速器——質(zhì)子同步加速器的推進(jìn)器、質(zhì)子同步加速器、超質(zhì)子同步加速器，從而達(dá)到4500億電子伏特的動能。為了增加物理反應(yīng)和產(chǎn)生有趣粒子的機(jī)率，有超過10¹¹個質(zhì)子被壓縮在一個半徑為30微米～45微米、長度約10厘米的圓柱空間。至于每一階段的加速器，除了加速質(zhì)子群外，也在不斷地冷卻、聚焦質(zhì)子群，以達(dá)到高密度的質(zhì)子束。最后，兩個質(zhì)子束各自沿順時針和逆時針在LHC軌道里運行約20分鐘后，達(dá)到最高動能（LHC的設(shè)計最大值是7兆電子伏特）。

讓我們再回顧一下帶電粒子在垂直其運動平面的磁場中如何運行：其軌跡的曲率半徑和磁場大小成反比，和粒子的動量成正比。也就是說，如果要讓粒子維持在同一個圓形加速器軌道，磁場大小必須隨動量而改變。LHC磁場強(qiáng)度的最高值8.33特斯拉和軌道半徑26.7千米，決定了質(zhì)子可以擁有的最高能量為7兆電子伏特，也就是說，質(zhì)子一質(zhì)子對撞時質(zhì)心系能量最高可達(dá)14兆電子伏特。在2010年和2011年，LHC先以7兆電子伏特的質(zhì)心系能量來運行，而2012年的運行，則把質(zhì)心系能量提升到8兆電子伏特。1兆電子伏特的能量，相當(dāng)于1.6爾格（1.6×10^-7焦耳），其實也不過是一只蚊子做全速飛行所需要的能量，遠(yuǎn)小于一個100克的蘋果下落1米所獲得的動能（1焦耳）。

事實上，任何一個有質(zhì)量的粒子，其速度都無法超過光速。當(dāng)粒子速度遠(yuǎn)小于光速時，又回到了牛頓力學(xué)里的動能。當(dāng)粒子速度接近光速時，粒子速度增加的比率卻遠(yuǎn)比粒子動能增加的比率緩慢。

LHC研究團(tuán)隊

在LHC對撞點上的每一個偵測器都有一個實驗團(tuán)隊負(fù)責(zé)，分別是ATLAS、LHCb、CMS和ALICE團(tuán)隊。其中，ALTAS和CMS的實驗團(tuán)隊多達(dá)3000人。主要是為了尋找希格斯粒子，并且探測標(biāo)準(zhǔn)模型以外的新物質(zhì)。ALICE，顧名思義，專攻于研究鉛離子對撞而產(chǎn)生的夸克-膠子電漿狀態(tài)，從而了解宇宙的形成；LHCb則專攻于研究底夸克的性質(zhì)，以幫助了解正粒子和反粒子不對稱的原因。

ATLAS偵測器的體積最大：長46米、寬25米、高25米，相當(dāng)于十層樓高和三個籃球場的大小。而CMS偵測器最重，有1.25萬噸，相當(dāng)于65只藍(lán)鯨的體重。除了在四個對撞點上的偵測器，還有兩個小型偵測器LHCf和TOTEM，分別位于ATLAS和CMS偵測器的前端和后端。

對撞點上的偵測器通常包含一層又一層的子偵測器，在最內(nèi)層、最靠近對撞點的是帶電粒子軌跡偵測器，再外面一層是電磁和強(qiáng)子量能器，而最外面一層是渺子偵測器。

偵測粒子的軌跡

想要徹底了解粒子的性質(zhì)，我們必須知道粒子產(chǎn)生時的動量大小、方向以及能量的大小，也就是所謂的四維動量。帶電荷粒子的動量大小和方向，可以從它們在軌跡偵測器里所留下的信號算出——動量大小正比于粒子在磁場中運動軌跡的曲率半徑；而質(zhì)子一質(zhì)子對撞點，也就是粒子產(chǎn)生點和軌跡偵測器有信號的位置，兩點的聯(lián)線方向便是動量方向。

常見的軌跡偵測器有硅晶軌跡追跡系統(tǒng)和氣體漂移室。不管軌跡偵測器的材料為何，其物質(zhì)密度都不能過高，這樣當(dāng)帶電粒子經(jīng)過軌跡偵測器時，只會損失非常微小的能量，而所測量到的動量便不會偏離帶電粒子進(jìn)入軌跡偵測器之前原有的動量。如果粒子本身是不帶電荷的，但是會衰變到帶正電和帶負(fù)電的粒子，我們可以從這些衰變產(chǎn)物來推導(dǎo)出原來粒子的動量。

粒子的能量可以由電磁和強(qiáng)子量能器里的信號來得到。量能器是一種“破壞性”偵測器，本身可以誘發(fā)簇射，所以必須放在軌跡偵測器外圍才不會干擾動量的測量。簇射產(chǎn)物中，起初只有少數(shù)高能量的次級粒子，這些次級粒子進(jìn)一步被引發(fā)二次簇射、三次簇射……使得次級粒子的數(shù)目逐漸增加，而能量逐漸降低。一旦所產(chǎn)生的次級粒子能量夠低并且?guī)в须姾?，這些次級粒子便會被量能器記錄下來。

既然渺子帶有電荷，我們可以用軌跡偵測器測量到它的動量，那么為何要在量能器外圍再裝一個渺子偵測器？原因是，在標(biāo)準(zhǔn)模型里，帶電荷的粒子中，只有渺子可以在損失極小能量的情況下穿越量能器，而在渺子偵測器被偵測到。其他粒子不是早就衰變，便是已經(jīng)在量能器里損失所有的能量，例如電子或正子在電磁量能器中損失所有能量。雖然渺子最終還是會衰變，不過它的生命期是2.2微秒，平均來說，對于一般對撞機(jī)所產(chǎn)生的渺子，至少要行進(jìn)6000米才會衰變，這一距離顯然遠(yuǎn)大于一般偵測器的大小。渺子偵測器的基本作用原理，事實上和靠近對撞點的軌跡偵測器一樣，所使用的大多是氣體漂移室。

如同前面所提到的，微中子不會和對撞機(jī)偵測器產(chǎn)生電磁交互作用或強(qiáng)交互作用，所以無法被直接偵測到。判別微中子的方法，只有看每個對撞事件是否有迷失動量。

在同一個質(zhì)子一質(zhì)子對撞事件里，所有粒子的總動量必須等于零，如果有粒子沒有被偵測到，其他被偵測到的粒子的總動量便會不等于零，也就是說，這個對撞事件有迷失動量。迷失動量是所有偵測到的物理量里，最難校正的一項。偵測器要是有一個區(qū)域無法正常運行，或是被偵測到的粒子能量有誤差。對撞事件便會產(chǎn)生一個“偽迷失動量”。雖然困難，但是許多粒子物理學(xué)家還是努力研究迷失動量，因為除了微中子之外，尚未發(fā)現(xiàn)的重力作用子、超對稱粒子或其他新粒子，都有可能逃離偵測器而留下迷失動量。

量子物理學(xué)的戰(zhàn)國時代

現(xiàn)在無疑是量子物理界的戰(zhàn)國時代。有造成不少騷動但后來證實是曇花一現(xiàn)的：微中子超越光速、在W玻色子事件中的未知粒子（雙噴射流激態(tài)）以及疑似希格斯粒子衰變到雙光子的事件。也有超越前人的：縮小希格斯粒子的質(zhì)量范圍和超對稱理論的參數(shù)值空間、在重離子對撞中看到反氦原子核、噴射流在夸克一膠子電漿里的能量衰減以及許多檢驗標(biāo)準(zhǔn)模型的測量。以上對于量子物理實驗做了一個很基本的介紹，期待吸引有興趣的人加入我們的行列，一起向未知世界挑戰(zhàn)。