时间：2022-04-14 05:20:52
对于现在的年轻人而言，网络已经成为生活中不可或缺的一部分，虚拟世界中的一切，似乎比日常生活中的人、事、物还要真实。在这种环境下长大的你，是否曾经问过：自然世界是由什么组成的？
探索自然世界的组成
在公元前600年的古希腊时代，“自然世界是由什么组成”是一个热门议题。古希腊哲学家企图在神话之外，用理性的思维去了解肉眼所观察到的自然界中的循环和变化，譬如：水为何会变成冰，空气凝结为何会变成水等等。在米力特斯有三位哲学家：泰利斯、安奈克西曼德和安那西梅斯，认为自然界的一切事物虽然看似变化万千，但必定是由一种基本物质所组成。三人持有不同观点，分别认为这个单一的基本物质是水、无界限者或空气。
100年后，德谟克利特提出了唯物论：每一种事物都是由一种微小且不可分割的积木所组成；他称这些积木为原子。因为没有一件事物会来自虚无，所以大自然的积木必须是永恒的。所有的原子都是坚硬结实的，但却不是完全一样，而大自然是由无数形状各异的原子所组成。德谟克利特不相信有任何力量或灵魂介入大自然的变化过程，大自然每件事情的发生都是相当机械化的，万事万物都遵守必要的法则。
虽然这些希腊哲学家的想法非常简洁漂亮，但是他们并没有实验的根据。2000余年后，俄国科学家门捷列夫首创化学元素周期表，把当时已经发现的原子依其原子量大小做了排列，同时观察到这些原子的化学特性都可以被简化和分组，暗示了原子是由更小的基本粒子所组成。经过了50余年实验和理论的相互激荡，物理学家建立了今天的量子物理标准模型。
在标准模型里，基本粒子包含夸克、轻子和作用子。有六种夸克和六种轻子以及它们的反粒子：上夸克、下夸克、魅夸克、奇夸克、顶夸克、底夸克、电子、渺子、涛子、电子微中子、渺子微中子、涛子微中子。四种作用子负责传递基本交互作用力：光子负责电磁力、胶子负责强作用力、而Z玻色子和W玻色子负责弱作用力。
夸克之间或轻子之间并不直接交流，而是通过像邮差一样的作用子来传递信息并产生交互作用，所传递信息的强度大小取决于粒子所带的电荷大小以及作用力常数。夸克因为带有电磁电荷、色电荷和弱电荷，可以接收到这四种作用子的信息。轻子不带色电荷，所以接收不到胶子的信息（不参与强作用力）。值得一提的是，微中子只带有弱电荷，只能感受到弱作用力，被昵称为“鬼粒子”。
在电磁力、强作用力和弱作用力中，无疑大家最容易感受到、也最熟悉的是电磁力。带正电的原子核和带负电的电子，借由光子而相互吸引并键结成原子；虽然原子呈电中性，两个非常靠近的原子就像两个电偶极一样相互吸引，这吸引力便是所谓的凡得瓦力，原子群借由凡得瓦力键结而组成了分子。电磁力决定了原子和分子的化学性质。同理，带有色电荷的夸克（或反夸克）借着胶子而键结成色中性的介子或重子；你所熟悉的质子和中子，便是众多上夸克和下夸克的排列组合中最轻和最稳定的重子。而质子和中子就像色偶极一样，相互吸引组成了原子核。弱作用力虽然强度比强作用力和电磁力小了4个～6个数量级，但它其实是地球生命的起源：弱作用力让太阳中的氢在一连串的反应后转换为氦，并释放光和热，而放射性衰变的产物更被拿来应用在癌症治疗等医学用途上。
注意！当一个粒子被称为基本粒子时，代表我们认为这个粒子无法再被分割，没有内部构造。但是，有别于大家对“基本粒子是永远不变”的直觉，虽然它们无法被分割，却可以通过电磁力或弱作用力衰变到其他较轻的基本粒子。在标准模型里，只有第一代粒子组成了稳定的物质，其他粒子所组成的物质（重子或介子）生命期较短，最终都会衰变到第一代粒子或是作用子。
量子物理学界的当前课题
对于“自然世界是由什么组成”这个问题，量子物理标准模型虽然给了我们一个最接近真实世界的答案，但并不是一个最理想和最完整的答案。还有许多问题尚未得到解答，以下提出几个例子。
现今的物理学家和希腊哲学家有同样的信念，相信自然界可以由少量的法则来决定，但标准模型的基本粒子数目似乎还是多了些。这是否表示夸克和轻子并不是基本粒子，它们只是一个更基本的粒子在低能量时所展现的一体两面？又或者基本粒子数目不少，而我们尚未找到所有的夸克和轻子？细心的读者应该能发现标准模型尚未把重力纳入，是否还有一个重力作用子？另外，这些基本粒子的质量范围甚广：有比电子轻的微中子，也有重达184倍质子质量的顶夸克，二者质量差了11个数量级！为什么这些基本粒子会拥有质量？在作用子中，光子和胶子没有质量，但为什么W玻色子和Z玻色子却是质子质量的86倍和97倍？是因为它们和希格斯粒子的交互作用？那为什么我们还没有找到希格斯粒子？在宇宙大爆炸时，估计有相等数量的正粒子和反粒子，那为什么现在自然界中的稳定物质都是由正粒子组成的，我们只能在实验室的产物中看到反粒子？
为了找到这些问题的答案，物理学家设计了各种实验来了解这些基本粒子的性质。在标准模型中，大部分的粒子无法稳定存在，但是物理学家可以在较单纯的实验室环境里制造，然后用像照相机一样的侦测器，把这些粒子或是它们衰变后产物的轨迹记录下来，再用计算机分析这些数据。
若要制造质量较轻的粒子或是它们的反粒子，可以拿高速的电子或质子去撞一个金属靶，然后再过滤掉不想要的产物，这就是所谓的定靶实验；魅夸克和底夸克便是在美国布鲁克海文实验室、斯坦福直线加速器中心以及费米高能实验室的定靶实验中发现的。但是量子物理学家除了想了解基本粒子的性质外，更想找到希格斯粒子和发现标准模型以外的新粒子；而尚未发现的新粒子质量多半极高，可能是质子质量的数百倍甚至千倍。只是定靶实验有个缺点，那就是无法将整个系统的能量百分之百地都转换成质量以产生粒子。既然所有的撞击都必须维持动量守恒，定靶实验里的发射物撞击金属靶之后，系统能量有一部分必须贡献到产物的动能上，使得撞击后产物的总动量等于撞击前发射物的动量。
相反，对撞机实验对撞两个有相同能量但动量相反的质子或电子，高质量的新粒子可在静止状态下产生。也就是说，所有对撞物的能量都被拿来转换成质量。而具有高质量的W玻色子、Z玻色子以及顶夸克，便是在欧洲核子研究中心及美国费米高能实验室的质子一反质子对撞机实验里发现的。
现今能量最高的对撞机，位于瑞士日内瓦近郊的欧洲核子研究中心，也就是大家常在新闻报道里看到的大型强子对撞机（LHC）。
大型强子对撞机
LHC是一个圆形加速器，位于地下约100米，周长有26.7千米，主要由一连串的共振腔、1232个偶极超导磁铁、392个四极磁铁所构成。电场的功用是加速带电粒子，而磁场的功用是弯曲和聚焦这些带电粒子，并让它们在四个对撞点对撞。LHC的四个对撞点各自设有一个侦测器，测量因对撞而产生的粒子的性质。整个加速器横跨瑞士和法国两个国家，是世界上最贵、最大也是能量最高的强子加速器。所使用的强子大部分是质子，一年中只有一个月的时间会进行铅离子的对撞。因此，我们只针对质子对撞做介绍。
LHC的整个实验配置包含LHC加速器、前级加速器以及四个对撞点上的侦测器：超导环场侦测器（ATLAS）、紧凑渺子线圈（CMS）、大型离子对撞机（ALICE）和LHC底夸克侦测器（LHCb）。首先，氢原子里的质子和电子被解离，质子在直线加速器里被加速到5000万电子伏特。接下来，质子被送到半径越来越大的圆形前级加速器——质子同步加速器的推进器、质子同步加速器、超质子同步加速器，从而达到4500亿电子伏特的动能。为了增加物理反应和产生有趣粒子的机率，有超过1011个质子被压缩在一个半径为30微米～45微米、长度约10厘米的圆柱空间。至于每一阶段的加速器，除了加速质子群外，也在不断地冷却、聚焦质子群，以达到高密度的质子束。最后，两个质子束各自沿顺时针和逆时针在LHC轨道里运行约20分钟后，达到最高动能（LHC的设计最大值是7兆电子伏特）。
让我们再回顾一下带电粒子在垂直其运动平面的磁场中如何运行：其轨迹的曲率半径和磁场大小成反比，和粒子的动量成正比。也就是说，如果要让粒子维持在同一个圆形加速器轨道，磁场大小必须随动量而改变。LHC磁场强度的最高值8.33特斯拉和轨道半径26.7千米，决定了质子可以拥有的最高能量为7兆电子伏特，也就是说，质子一质子对撞时质心系能量最高可达14兆电子伏特。在2010年和2011年，LHC先以7兆电子伏特的质心系能量来运行，而2012年的运行，则把质心系能量提升到8兆电子伏特。1兆电子伏特的能量，相当于1.6尔格（1.6×10-7焦耳），其实也不过是一只蚊子做全速飞行所需要的能量，远小于一个100克的苹果下落1米所获得的动能（1焦耳）。
事实上，任何一个有质量的粒子，其速度都无法超过光速。当粒子速度远小于光速时，又回到了牛顿力学里的动能。当粒子速度接近光速时，粒子速度增加的比率却远比粒子动能增加的比率缓慢。
LHC研究团队
在LHC对撞点上的每一个侦测器都有一个实验团队负责，分别是ATLAS、LHCb、CMS和ALICE团队。其中，ALTAS和CMS的实验团队多达3000人。主要是为了寻找希格斯粒子，并且探测标准模型以外的新物质。ALICE，顾名思义，专攻于研究铅离子对撞而产生的夸克-胶子电浆状态，从而了解宇宙的形成；LHCb则专攻于研究底夸克的性质，以帮助了解正粒子和反粒子不对称的原因。
ATLAS侦测器的体积最大：长46米、宽25米、高25米，相当于十层楼高和三个篮球场的大小。而CMS侦测器最重，有1.25万吨，相当于65只蓝鲸的体重。除了在四个对撞点上的侦测器，还有两个小型侦测器LHCf和TOTEM，分别位于ATLAS和CMS侦测器的前端和后端。
对撞点上的侦测器通常包含一层又一层的子侦测器，在最内层、最靠近对撞点的是带电粒子轨迹侦测器，再外面一层是电磁和强子量能器，而最外面一层是渺子侦测器。
侦测粒子的轨迹
想要彻底了解粒子的性质，我们必须知道粒子产生时的动量大小、方向以及能量的大小，也就是所谓的四维动量。带电荷粒子的动量大小和方向，可以从它们在轨迹侦测器里所留下的信号算出——动量大小正比于粒子在磁场中运动轨迹的曲率半径；而质子一质子对撞点，也就是粒子产生点和轨迹侦测器有信号的位置，两点的联线方向便是动量方向。
常见的轨迹侦测器有硅晶轨迹追迹系统和气体漂移室。不管轨迹侦测器的材料为何，其物质密度都不能过高，这样当带电粒子经过轨迹侦测器时，只会损失非常微小的能量，而所测量到的动量便不会偏离带电粒子进入轨迹侦测器之前原有的动量。如果粒子本身是不带电荷的，但是会衰变到带正电和带负电的粒子，我们可以从这些衰变产物来推导出原来粒子的动量。
粒子的能量可以由电磁和强子量能器里的信号来得到。量能器是一种“破坏性”侦测器，本身可以诱发簇射，所以必须放在轨迹侦测器才不会干扰动量的测量。簇射产物中，起初只有少数高能量的次级粒子，这些次级粒子进一步被引发二次簇射、三次簇射……使得次级粒子的数目逐渐增加，而能量逐渐降低。一旦所产生的次级粒子能量够低并且带有电荷，这些次级粒子便会被量能器记录下来。
既然渺子带有电荷，我们可以用轨迹侦测器测量到它的动量，那么为何要在量能器再装一个渺子侦测器？原因是，在标准模型里，带电荷的粒子中，只有渺子可以在损失极小能量的情况下穿越量能器，而在渺子侦测器被侦测到。其他粒子不是早就衰变，便是已经在量能器里损失所有的能量，例如电子或正子在电磁量能器中损失所有能量。虽然渺子最终还是会衰变，不过它的生命期是2.2微秒，平均来说，对于一般对撞机所产生的渺子，至少要行进6000米才会衰变，这一距离显然远大于一般侦测器的大小。渺子侦测器的基本作用原理，事实上和靠近对撞点的轨迹侦测器一样，所使用的大多是气体漂移室。
如同前面所提到的，微中子不会和对撞机侦测器产生电磁交互作用或强交互作用，所以无法被直接侦测到。判别微中子的方法，只有看每个对撞事件是否有迷失动量。
在同一个质子一质子对撞事件里，所有粒子的总动量必须等于零，如果有粒子没有被侦测到，其他被侦测到的粒子的总动量便会不等于零，也就是说，这个对撞事件有迷失动量。迷失动量是所有侦测到的物理量里，最难校正的一项。侦测器要是有一个区域无法正常运行，或是被侦测到的粒子能量有误差。对撞事件便会产生一个“伪迷失动量”。虽然困难，但是许多粒子物理学家还是努力研究迷失动量，因为除了微中子之外，尚未发现的重力作用子、超对称粒子或其他新粒子，都有可能逃离侦测器而留下迷失动量。
量子物理学的战国时代
现在无疑是量子物理界的战国时代。有造成不少骚动但后来证实是昙花一现的：微中子超越光速、在W玻色子事件中的未知粒子（双喷射流激态）以及疑似希格斯粒子衰变到双光子的事件。也有超越前人的：缩小希格斯粒子的质量范围和超对称理论的参数值空间、在重离子对撞中看到反氦原子核、喷射流在夸克一胶子电浆里的能量衰减以及许多检验标准模型的测量。以上对于量子物理实验做了一个很基本的介绍，期待吸引有兴趣的人加入我们的行列，一起向未知世界挑战。