碰撞启示：夸克未必不可分
去年3月，当费米国家加速器实验室的两个粒子物理学家小组宣布他们已经发现顶夸克时，他们也就在现行物质基本结构理论，即标准模型上，砌上了拱顶石。可是在不到1年后的今天，其中有一个组已经收集到堪向标准模型发起挑战的证据。标准模型认为夸克是物质的基本结构单元，然而在费米万亿电子伏粒子加速器（Tevatron）1年的运作中，费米碰撞检测器（CDF）意外观察到夸克之间的大量“硬”碰撞，或叫猛烈碰撞；“如果夸克不是基本粒子，而具有某种基本结构，那么你在这里看到的正是这种效应。”CDF的发言人W · 卡利瑟斯如此说。
“如果夸克亚结构是真实的，那么它的意义非常非常之重大。”CERN（欧洲粒子物理实验室）的G · 阿尔泰拉里说。但是他同卡利瑟斯（他按伯克莱国家实验室的意见）立刻补充说，要说标准模型已岌岌可危，还为时过早。CDF小组在两周前送交《物理评论快报》的文章中列举资料井指出，一些与CDF内外合作的物理学家，正热衷于从中挑选对其作出较小变革的解释。这些资料中有碰撞中未知粒子的产物（阿尔泰拉里赞成的），有标准模型关于夸克行为预示的微小误差，不管哪种情况，都不会要求理论作重大的更新。
但是如果弄清楚夸克确有亚结构，那么这个发现就会是本世纪之初卢瑟福发现原子核的再演。卢瑟福和他的合作者使荷正电的α粒子猛撞到金箔上，这时观察到有过多的硬碰撞——那些以接近直角散射的粒子，它被解释成一种无定形的“葡萄干布丁”原子模型。而卢瑟福断定，粒子一定是碰到一个小而硬的核心了，他称之为原子核。
现在，物理学家知道原子核本身具有结构：首先是质子和中子组成原子核，然后在质子和中子的内部，有3个夸克浸泡在短寿命的“虚”夸克及其反物质的配对物——反夸克之中。整个量子力学混和物是由叫胶子的粒子把它们结合到一起的。正像卢瑟福用α粒子探测原子来试验他对原子结构的理解那样，CDF小组是在Tevatron中用反质子碰撞质子去试验这个层次结构图景的。
大部分碰撞是掠射的。但是每次总有这样的情况：从一个质子发出的夸克与另一个质子发出的夸克或胶子迎头相撞，它飞出的碎片与粒子束成一锐角。在粒子物理学里，碰撞越强，可以探测到的距离越短。在Tevatron 1.8兆电子伏的高能下，这些硬碰撞产生的碎片给出了过去从来没有过的最短距离尺度的信息。
协作者们把碰撞产生的碎片的侧面“射疏”（见图）的频率与量子色动力学（QCD，计算标准模型中夸克相互作用的数学工具）的预言加以比较，直至能量与距离尺度相符到质子大小的千分之一。卡利瑟斯说，两者“恰好一致”。但是接着高角度的射流频率开始与理论脱节，距离尺度小10倍，这些射流的频率比理论预示至少高50%。
硬碰撞：由质子-反质子碰撞产生成锐角的碎片射流。左图是检测器向下的室视图，上是能量对射流角度的示意图。两射流分别为424 GeV和371 GeV。
CDF的共同发言人G · 贝拉丁尼（意大利比萨大学）说，当这些事件开始累计时，协作者中爆发一场激烈的论战，争论围绕如何测定这小小的机会，使系统测量误差能够解释这个结果。为此，研究人员对这样一种可能性做了周密的测试——也许是随机和系统误差“合谋”愚弄了他们。结果，协作者取得一致意见：过剩量应当是真实的。
现在他们留下来对此作出解释。CDF小组成员S · 吉尔描述最大的可能：“看来这一事件意味着，像卢瑟福原子那样，有一个硬中心，”它潜藏在夸克内部，有如某些推_性理论所指出的那样，
但是吉尔指出，对测量还可作另外一些解释。较为通常的可能性是考虑飞速行进的原子其各成分中动量的分配情况。两个恰好携带各质子的高分额动量的成分迎头相撞时，就发生最硬的碰撞。但是无质量的胶子也能携带动量。因此，吉尔说，如果QCD低估了10个胶子携带多么高的能量，那么“会得出比我们预料更多的高能射流结果。”那时相遇的夸克可能导致意想不到数量的猛烈碰撞。
CERN的阿尔泰里和P · 查毕太提出更带根本性的意见：高能夸克碰撞偶尔产生一种新的重粒子——Z°的远亲。一种大家知道的在高能碰撞中短暂显露的重粒子。这种粒子的产生会给夸克带来别的相互作用途径，以提高碰撞频率。它在衰减时，粒子会喷溅出碎片射流到碰撞旁侧，与过剩量的硬碰撞极为相似。这种新的粒子也可能困扰着CERN所作的观察。那里的研究人员已经注意到，Z°衰变的底夸克和粲夸克的速率与理论不符。Z°可能掺和进或转变成更重的远亲，这会改变寿命，也可以解释衰变速率。
CDF小组已在刻苦工作，研究新的资料，看能否找到识别这些可能性的办法。例如，具体研究射流的角分布。现在，使这个小组感到高兴的是，资料正在出版，一个全球的更为广泛的粒子理论家团体打算搞清它们的意义。费米实验室的CDF成员B · 弗劳哈说，“我认为，这里要出奇闻轶事。”
夸克研究把理论家引人自旋
8年前，一个欧洲粒子物理学家小组研究质子和中子的内部结构——原子核结构单元，统称核子——得到一个惊人的发现：每个核子内的3个价夸克确定其物理性质，而不确定它的自旋。这个组叫欧洲μ子协作组（EMC），在CERN粒子物理中心工作。他们计算出夸克贡献很小，只有20%，这个数字还包括把核子结合在一起的胶子所产生的短寿命“海夸克”的贡献，这样小的份额提出了一个有关核子结构的重大问题：“如果价夸克和海夸克不提供自旋，那是谁提供的？”这一状况被迅即称作“自旋危机”。
自旋是粒子的一个基本量子力学性质，它只能取特定的值。质子和中子自旋为+1/2，而夸克可以有自旋+1/2和-1/2。直到1988年，EMC得出，中子模型可直接表达为：它们自旋是3个价夸克的自旋之和。这几年之内，另外的几个组证明了夸克的微小贡献，但是他们最后得到的是有巨大差异的大小估计。加州斯坦福粒子直线加速器中心（SLAC）一个叫E142的实验估计是57%，CERNμ子自旋协作组（SMC）只有6%。这些分歧使许多研究人员得到结论：那是实验出了毛病，法国原子能委员会的S · 伯米德茨可夫说：“我们认为这是数据差错，”然而，最新的结果说明，那种息事宁人的设想不再有效。他们指出：看来自旋危机是真实的。
本月初，现在研究夸克自旋的3个主要协作组在阿姆斯特丹集会，对比他们的纪录。经过几年，各组间的差异已经减少。SMC和SLACE143的实验结果，都证明夸克贡献大约是一个中子自旋的25%。第三个组是德国HERMES协作组（去年参加研究）可望在本月内宣布类似的数字。
现在3个组都用与SMC相似的方法来评估夸克自旋。他们将高能电子束或μ子束（它们是自旋极化的，即全部自旋都取一个方向）射向中子目标（也是自旋极化的）。有些粒子从它的路径上散射或折射。如果它们的自旋是平行的或反平行的，那么中子散射的几率就有差异。这些散射几率的差异叫做偏位度，它们可用改变粒子束或目标中子的极化方向来进行研究。一旦知道了偏位度，研究人员就可以用量子理论计算出夸克的自旋贡献。
这3个组通过更加精细地考察中子的内部结构，找到了解决他们原先实验结果不一致的办法。三个价夸克在原子核里是被胶子束缚在一起的，研究人员很快意识到，由于夸克交换或辐射胶子，量子理论就提供“辐射修正量”，所有这些，一齐前来“救援”。“计算出这些修正量，再将它应用到数据上去，本来不同的实验结果，就越来越接近了。”E143组成员，SLAC的斯图埃特说。校正了最后结果，修补了所用的不同束能，他们现在取得了一致意见。
然而正当实验工作者为此感到高兴时，该事件却仍然给理论家们留下一个大难题：其余的中子自旋来自何处？“有一部分自旋不是夸克所携带的；既不是价夸克，也不是海夸克的夸克-反夸克对。”丹麦原子核和高能物理国家研究院的P。麦尔德斯说。大多数研究者认为答案在于胶子，然而“现在的问题是：我们怎样来测量它？”麦尔德斯说。
还有，在海夸克中，胶子有时产生“奇异”夸克_反夸克对。这是一种不能期望在正常物质中碰到它的夸克类型，SMC和E143现已有经过证实的报告：这些奇异夸克有一重要贡献，约占中子自旋的12%，因此减少了夸克的视贡献。所以，自旋危机远没有解决。愈是精细地考察中子内部，也就显得愈是奇特。
[Science，1996年2月9日、16日]