我们能够接受电子不是基本粒子的观念吗？新近离奇的研究发现说明，我们也许别无选择。

你也许认为，不允许出现事端去扰乱一个百岁老人的寿诞聚会。然而真是“流年不利”，可怜的电子在它被发现100周年（电子是1897年4月被发现的）的时候，令人扫兴的与会者们已经到了门前。他们提出这样的问题：电子是否真的是基本的（粒子）？

在经过99年的探测之后，表面上看来电子仍然是物质的基本结构单元。这就是说，它的行为像一个没有内部结构的点。然而粒子物理学家已久怀忧虑，感到电子并不像它表面看到的那个样子，它可能是由别的粒子组成的。前几个星期德国汉堡——高能加速器中的一系列神秘的高能碰撞，使这种推测大大增强了。

这些碰撞也可能只是偶然事件。但是如果它们不是偶然事件，那么电子就会从它的基座上倒塌下来，物理学家不得不重新审查他们整个关于亚原子世界的观点。“这件事肯定是粒子物理学近20年来最激动人心的发展，”牛津大学实验物理学教授R • 卡什摩尔（R. Cashmore）说。

那么科学家为什么要怀疑电子的基本性质呢？事情要从本世纪之初说起。1919年电子与质子联合，13年后又与中子联合组成了精萃的亚原子粒子。

然而到了1937年，研究工作者在研究宇宙线时发现了M介子。这种粒子的质量是电子的210倍，但是在其他方面它与电子的外观无异。它的发现打乱了理论家们关于原子的严谨观念。“这是谁安排的秩序？”诺贝尔奖得主物理学家I • 勒比（Isider Rabi）就从M子发问。这一发问到70年代得到了回响，这就是第三种也是很重的电子状粒子——r粒子的发现，它的质量大约是电子的3500倍。

何以自然界基本清单甩竟然有三种电子？这仍然是一个向当今的粒子物理学家挑战的第一位问题。事实上问题比这里提到的还要广泛。今天，全部基本粒子清单可以分成三“代”。

第一代包括电子、电子中微子和两个最普通的夸克，即上、下夸克。乍看起来，用这一代粒子建造所有的日常宇宙材料已经足够。例如，上、下夸克是组成质子、中子和一批短寿命粒子的粒子。但是，除此之外粒子还有两代；有另外两种中微子与μ介子和τ子，与另外两对夸克——奇异和粲、底和顶夸克相配。

这些粒子还可以按照它们的性质来区分。不带电的中微子，与带相同电荷（e）的电子、μ介子和τ子一起，统称轻子。其余的粒子，即夸克，每个电荷为+2e/3或-e/3。这两组粒子间的主要区别是：夸克通过强核力（强核力把它们束缚在质子、中子和其他粒子之中）相互作用，反之，轻子感受不到这种力。

12种粒子（或计入它们的反粒子，为24种）看起来是许多基本的物体，然而多年来，物理学家已经提出质问：这么丰富的粒子型式是否反映有一种更为基本的基础结构？从别的地方可以看到，当自然界呈现出这么有秩序的型式时，其多样性已表明它有用多种方式安排自己的能力，这是从某种更深层的结构中产生出来的。例如，92种自然元素只是由电子、质子和中子建造起来的，而在粒子加速器中发现的许多强相互作用物体，全都可以用6种夸克去理解。

那么夸克和轻子也同样是比它更简单更基础的结构单元的共同集合的表现形式吗？作如此推测的根据之一是它们的电荷之间的关系。物质的电中性是由于原子中电子的负电荷与原子核中质子的正电荷的平衡。然而质子是由夸克建造起来的：两个夸克各带电+2e/3,—个夸克带电-e/3。

引人入胜的粒子

一定有这样一些微粒：如果这些微粒只有细小的差别，则物质的整体就会带电，作用于它的电力会远远超过引力拉牵。更为引人入胜的是这样的观念：事实上电荷以e/3为单位的粒子既是轻子的组成成分，也是夸克的组成成分。

最先认真尝试去建立夸克和轻子的复合模型的，是新近去世的诺贝尔奖获得者A • 萨拉姆（A • Salam）和丁 • 泊蒂（J • Pati）。他们在1974年，打算由较小数量的不同性质的假设“前子”（preons）组成夸克和轻子。有的带电荷，有的带电色荷（它是强力的基础），还有的则具有决定“代”的性质，所组合成的夸克和轻子就属于这个代。但是在开始建造有精确电荷的夸克和轻子时，就遇到了问题。还有，模型所预示的许多粒子的存在，同任何已知粒子都不相符。

从那以后，有许多建立复合模型的尝试，然而他们都碰到了困难。“我发现各种复合模型都比可以提出解释的系统复杂。”牛津大学理论物理学负责人G • 罗斯（Graham Ross）说。但是，他接着说，“有一种‘并非不行定理’（no no-go theorem）”，换句话说，没有理由认为复合模型注定要失败。

那么有什么物理证据说明夸克和轻子是由某种更小的东西组成的？要了解秋毫之末的细节，你直接去找显微镜来放大；在粒子物理学中，就得去找能！a。两个粒子碰撞的能量越高，它们就互相靠得越近，也就越可能出现这样的情况：它们的组成成分（如果有的话）会相互作用，并产生新的粒子。

紧邻碰撞

E • 卢瑟福1909年去找能量，用它发现了原子核，其直径约为10-14米。大体在70年代后期，更高能量的碰撞揭示了质子内部的夸克，大小约10-16米。当今的粒子碰撞距离降至10-18米，但是这时的夸克和轻子无疑仍是基本的（粒子）。

一旦你能使粒子靠得非常近，也就使测试下面这样的观念成为可能：寻找它们的组成成分间的新的相互作用，以说明夸克和轻子都是复合粒子。在描述夸克和轻子相互作用的理论（即标准模型）中，粒子是用交换力荷（称为规范玻色子）而相互作用的。这些力荷包括胶子（传递强力）、W和Z玻色子（传递弱核力）和光子（传递电磁力）。每种力的力程取决于它的玻色子的质量。质量越大，作用的力程越短，所以在能够了解玻色子的效应之前，必须使两个粒子靠得很近。

夸克和（或）轻子的组成成分间相互作用的发现会对物理学产生深刻的影响，因为它一定会包含一种完全新型的力，这个力的作用距离很短。如果它的作用距离很长，那就应该已经在实验甩被查淸了。这种力还没有被查到这一事实意味着，与这种力相联系的玻色子一定比W和Z玻色子重（W和Z玻色子比质子重100倍）。

事实上，把所预言的短程力模型与实验里的粒子行为进行比较，物理学家就可以为这种力建立一个力程的上限。接着，力程就给出电子的各个组成成分之间的距离的观念。最佳限来自日内瓦CERN的强大对撞机LEP。LEP证明，与电子内任何新的相互作用相关的玻色子质量一定大于1.6×1012 eV，或者说2000个质子质量。换句话说，这种玻色子的作用距离恰好是10-19米。所以说，如果电子不是一个点，而是由别的粒子所组成，这种粒子的大小就一定小于这个距离。

重组实验

电子的基础结构可以自我体现的另一种方式是通过新粒子的形成。这些新粒子可以由重组高能碰撞中产生。例如，新粒子可以是轻子或夸克的激发态。这些新粒子包含者同已知轻子和夸克相同的组成成分，然而在高能下的含量改变了，它们给出更大的质量效应。

要是出现这种情况，新粒子只能存在一个很短的时间。激发态几乎立刻转变成质量较低比较通常的构形。多余的能量会被带走，带走的形式也许是放出光子。汉堡DESY实验室的强子电子环形加速器（HERA）的实验说明，如果激发电子存在，那么它们一定具有大于约85×109 eV的质量（约90个质子的质量），否则我们早已查看到它们了。

轻子和夸克的组成成分还可能以非所期望的方式联合成新的粒子。这是一种产生假设的间生粒子名为“小夸克”（reptoquark）的方式。在标准模型里，夸克和轻子只有通过弱力和电磁力而相互作用，所以“小夸克”的发现会再次要求一种新的核力存在。

小夸克可以是复合粒子，例如由一个夸克来束缚—个电子或别的轻子组成；也可能是无结构粒子。在后一种情况下，小夸克会在相互作用着的夸克和电子的损失中产生，方式大抵相同：当一粒子和一反粒子相互湮灭时产生一光子。

无论小夸克取何种形式，它的寿命都非常短暂，它迅即衰变成原来产生它的电子和夸克。但尽管寿命短暂，这种存在本身就足以得到理论的启示：把夸克和轻子更紧密地连接起来；尤其是对大统一理论所作的启示。这个理论试图把强、弱、电磁力统一为高能下的单一的力。

随着HERA这些诡异事件的发生，最近几周来，科学界对所有这些可能性的兴趣剧增。那时的研究工作者用质子去碰撞正子（反电子），然后研究所产生的碎片。在他们纪录的事件中有不少是甚高能正子——夸克碰撞，这些碰撞出现的比率是标准模型所预示的数倍。因此，人们纷纷推测：这大概是某种新的按小夸克方式的相互作用或者粒子存在的最初线索。

对HERA两个实验之一的负责人卡什摩尔来说，这些碰撞是潜在的革命。但是他的看法中掺和着谨慎。“要记住我们还只有一批事件。”他说。要证明瞬息即逝的新粒子的存在就要用统计数字，而“统计数字是无情的”，他说。在神秘碰撞的数目增加之后，HERA的物理学家才会确定它究竟是什么。

有一种类型的基本粒子，由一正子和一夸克的湮灭而产生，那是一种新夸克，叫Squark。这种怪粒子已为特殊的超对称理论所预示。超对称理论认为，各种已知粒子都有一个至今未见到的“超伙伴”。这种新的对称或超对称把未固定端精巧地系住。它存在于标准模型之中，并且代表着向大统一理论接近的一个步骤。

HERA所发生的究竟是什么，有待查明。它在3月份重新开机，预定运转到10月。“今年的两次统计将告诉我们是否确实发现了某种新事物。”瑞士理工学院和HERA的发言人R • 伊茨勒尔（Ralph Eiehler）说。“我们将把检测器调到最高效率，来观察这些稀有事件的细节。”这些研究有望瞥见电子和支配电子行为的力的本质，这是多年来最动人心弦的一瞥。

[New Scientist，1997年4月5日]