发现顶夸克的欢庆还不到一年，世界上功率最大粒子加速器的物理学家似乎已从喝香槟酒的兴奋中冷静下来了。1996年2月来自芝加哥附近费米实验室的—份引人入胜的报告指出，夸克也许是由更小的某些东西组成的。迄今为止，线索令人沮丧和含糊不清，有些争论至今还使人烦躁不安。研究人员是否仅仅是瞥了一下夸克的心脏？或是它只是简单的海市蜃楼？

费米实验室的对撞机检测器（CDF），已经在费米实验室的Tevatron粒子加速器中记读到接近光速运动的质子和反质子之间的对撞。质子和反质子中含有夸克，是通过称为胶子的粒子将夸克结合在一起。有时候，来自质子中的夸克或胶子会同来自反质子的夸克和胶子面对面的碰撞。当发生这种情况时，对撞所产生的能量会使奇异粒子的喷射向所有方向抛射。

物理学家们有关于夸克和胶子行为的绝妙想法，他们知道对撞的碎片应该有下述情况，他们应该看到以不同能量的喷射各有多少。在低能情况，他们正确看到了所预测的喷射数。然而在高能范围，CDF的数据却出现了某些未曾预料到的结果，大约有超过50%的喷射是他们意想不到的。

这也许是你们也能正确预料到是否夸克还有某种内部结构，也许是一个硬的核心，或许是一个像点的组分。这个现象有点重复了1911年原子核的发现，当卢瑟福的学生用α粒子轰击金箔时发现，大部分粒子很容易通过，但也发现有少数粒子被反弹回来。卢瑟福认为，它们一定撞击到了一个很硬的中心核。

但是大多数物理学家还是被夸克中所发现的粒子感到震惊。CDF小组的W · 卡里特尔斯（William Carithers）说“这离目前的理论相差太远了，目前亚原子世界的构型是所谓标准模型，即自然界中的最小颗粒是由6种夸克和其他6种称为轻子（包括电子和中微子）的另一种家族，按照不同组合而组成的。取这些基本砖块和它们之间存在的4种基本力，你能设计出应该存在的新粒子。

到目前为止这一处方一直相当成功，新的粒子一直精确地显示出正确的性质，不过有些情况标准模型仍不能给予解释，为什么夸克有如此离奇的质量谱，例如顶夸克大约要比上夸克重35000倍，标准模型不能说为什么？

像这样一类问题促使物理学家寻找超越标准模型的解说。夸克中被称为Preons*的粒子能够给予回答。也许你能以一种被我们认可的巧妙地解释质量的方法将Preons粘结在一起，而在自然状态下将是看不到的。当加速器的功率变得很强时，粒子被击成碎片——首先是变成质子和中子。然后又变成夸克，没有一个物理学定律说，在那里这种进程必须停止。

但是按照费米实验室的理论物理学家C · 希尔（C. Hid）和E · 埃克顿（E. Eichten）的观点。在Preons上实验证据显示有问题。首先若夸克是由某些更小的东西组成的话，估计我们应在很久之前就看到被激发的夸克状态。当光的发光光子（其能量只有几个电子伏特）照在原子上时，它们就能撞击出能量较高的电子，被激发的原子然而通过再次发射能量返回到它们的原始状态。核子中的质子同样也能被激发，但是其能量数量级大约在几百万电子伏特。

被激活的夸克

若夸克也具有能重新排列的某种结构的话，它们也应该能以同样的方式被激活，按照粗略推测，希尔预计大约需要几十亿电子伏特。但是当能量比这个还高几百倍时，费米实验室就将不会看到被激活夸克的任何信号，它们看起来就像一些点。

如果CDF实验突然能以比预料的还高几千倍的能量来揭示夸克的超细微结构，按希尔的观点，这会使人很费解。可以认为夸克内部存在一种非常牢固的粘合力，其结合的方式按目前理论还不能被接受。10年来人们一直试图用一种理论来解释Preons牢固结合在一起生成夸克的奇特的质量谱，但一直没有成功，希尔说人们拼凑出来的模型非常粗糙。

按埃克顿的观点，目前这一任务更令人气馁，现在顶夸克异乎寻常地比质子要重170倍，模型注定是失败的。他说除非他们继续做更多的实验，来试图解决这个无线索的难题，在我们从自然界获得某种线索之前，该模型毫无价值。

不单是埃克顿和希尔认为，Tevatron不会出现正确的线索，就是CDF的研究人员也指出，对于实验中的多余喷射，还有其它许多可能的解释，而不只是用Preons来作为注释。

例如只要稍微回到质子结构的流行模型也许已经够了，与一个下夸克和两个上夸克的一种永恒的群体一样，质子（和反质子）还含有一个胶子的海洋（见“简单质子的复杂心脏”，New Scientist，1995年7月1日）。对于复杂物体来讲，胶子能自发地突变成夸克和反夸克对。在给定的能量情况下，喷射数的计算将正确地依赖于所有夸克、胶子、夸克-反夸克之间以及质子的总动量是如何分布的。

如果胶子正好带有稍微多一点的动量的话，卡里特尔斯说，夸克-胶子碰撞能对喷射作更大的贡献，这恰好意味着需对理论模型作轻微的调整。看看是否调整一下动量能解释这一数据，但是任何修正必须很小，因为新的分布同样需要和每一个其他的至今已得到的实验结果相符合才行。

有说服力的问题

还有一个更根本的取舍。也许是物理学家错误地计算了控制夸克和胶子行为的强作用力的强度。理论认为在高能下强力会变弱，最终完全消失。但如果力消失得比预测的稍微慢一些，则在夸克和胶子之间会有更强的相互作用和更多的高能喷射。

那标准计算是否会有错误呢？因为它已揭示它不可能正确求解出强作用力强度的方程。通常只能用一种称为微扰理论的数学方法来近似地给予解答。这种方法类似于用多边形近似圆来计算圆周的长度。一个六边形只能粗略地近似，如果增加的边越多，则近似也会变得越来越好，也许CDF小组的H · 杰逊（Hans Jensen）会说，至今为止，强力问题的解决不是简单地用足够的期限所能实现的。

但是根据亚里桑那大学的A · 帕特拉西欧（Adrian Patrascioiu）和Munich马普研究所的（Erhard Seiler）的观点，数学问题运算起来也许比那些更深刻。在某些情况下，微扰理论工作起来像一次请客。例如在预测电子的性质时，精度可达到1/10⁸。但是当试图处理强作用力时也许会给出一些错误的答案——甚至在很高能量时，而据认为在那里应该是最可靠的。

按照帕特拉西欧的观点，微扰理论对强作用力的强度会给出混乱的，多种可能的答案，他说这一想法受到二者取一，多数量计算的支持，可以认为这种力下降速度比微扰理论认为的要慢得多，并且从来没有下降到零。

大统一理论的麻烦

如果这是正确的话，物理学家们必须再一次想一下近年来该领域关于物理学当今最前沿的科学思想，例如“大统一理论”，该理论一直企图将强作用力、电磁力和弱作用力在很高能量下结合在一起，这些依赖强作用力的理论，以令人怀疑的微扰理论所认为的正确方法而渐渐消失。

若使强作用力再回到七巧板上，Partrscioiu预计，被CDF所看到的高能喷射数应该再增加40%，并和实验结果相符。他又说在CERN的两个实验结果同样揭示了，强作用力要比我们想到的退出得更快，尽管其中有一个至今未得到证实。帕特拉西欧又说“证据越积越多，有些情况还在继续超过标准模型”。而它将会是一种新的物理学，我们相信我们现在正处于最佳时机，可以作更加合理的解释。

对于多余喷射的另一种可能解释是：在对撞中产生了一种新的粒子，而多余喷射是它的衰变碎片。CERN的G · 阿特尔里（Guido Altare）推测 :原因能是Z'——一种可能比所谓Z'粒子还要重的粒子，在标准模型中Z°是弱作用力的载体，弱作用力是众所周知的β放射性衰变的原因。

Z'的妙处在于它对其他东西来讲是另外一个谜。标准模型预测Z°应衰变给出底夸克-反底夸克对，粲夸克-反粲夸克对。但是在CERN的大型电子-正电子对撞机上，Z°产生的底-反底夸克对大约比标准模型预测出要多出1%。而另一方面，粲-反粲夸克对，似乎又比它们应该出现的数量要稍微少一些。

阿特尔里能解释这些差异以及CDF的结果，即在相互作用时会出现Z'的质量比质子高大约1000倍。在CERN，Z'能和Z°混合，有时候混合态会像Z°那样衰变，而有时候又像Z'衰变。在CERN，Z'贡献会给出多余衰变成底-反底夸克对，如果这一现象出现在Tevatron的高能对撞时，它会衰变产生两个喷射，也许像CDF所看到给出多余的喷射。

如果这一现象被证明是正确的，甚至像阿特尔里也会感到惊讶。他说“我也怀疑CDF的结果。像其他许多物理学家一样，他怀疑需要作更彻底的分析才能解开他们所听到的CDF结果。阿特尔里（Altarelli）说“什么情况都能发生，这一点不会使人惊讶，因为这些实验实在太困难了”。核实检测器所测量到的稀罕能量和高能喷射是件非常困难的事情，在最高能量外，CDF结果只留下大约6个事件，按照阿特尔里的观点，远远不够支持一个数量级的误差计算。

怀疑的阴影

进一步的怀疑是来自CDF邻近的一个研究小组，即费米实验室的Dzero合作组，他们也在同一个加速器环上进行类似的实验。在3月份的Les Ares会议上，他们公布了比原先CDF分析多大约5倍数据基础上的初步结果，虽然他们的高能喷射计数，在CDF结果的误差限值内是一致的，同时他们和标准模型预测的数据符合得很好。

不过尽管如此，卡里特尔斯相信CDF结果是可靠的，我们确信测量本身是正确的，同时没有人会对下述事实怀疑，即Tevatron是唯一的一个能达到这样高能量的功率足够强的加速器，费米实验室的两个研究小组希望通过更彻底地对他们的所有数据进行精确分类来解决这个问题，CDF小组希望在今后几个月内能排除某些选择。

如果最终能证明没有激动人心的新的物理学规则在起作用，那么不会怀疑CDF小组在论文内容中所提到的“华而不实”内容的进一步评论，尽管事实上CDF研究人员从80年代后半期以来一直在试验高能喷射的这个差异，他们一直被认为企图在物理学领域已经有机会取得一个新观点之前有一个飞跃，阿特尔里说，“他们制造了不少关于已经发现击中复合夸克的舆论，我想他们一直想能给予证明。

但是被粒子物理学术界批准又是一个长时间的问题，“这问题不像一个在100或150年前人们在地理学界所作的一个发现，那时候你只要能通过一座高山，看到了以前没有人见过的海洋就行”，卡里特斯说，“在那种情况下是没有问题的”，“而现在是在一个很短时间内赞同一个有争议的事情，尽管我们在任何时间内都不会知道事情的全部真相，这正好也是分享我们这一领域中令人激动的一种方式，我希望对我们的认知能力将永远不会这样焦虑和多疑，并希望永远不会说什么。”

[New Scientist，1996年5月11日]

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* Preons是夸克中新发现的粒子，中文尚无命名。