物理

謎樣膠子 維繫萬物

數十年前,物理學家發現萬物都是由夸克組成,並受到一種稱為「膠子」的粒子所束縛,而形成質子和中子。膠子維繫萬物,但是我們仍不清楚膠子作用的細節。

撰文/安特(Rolf Ent)、伍瑞克(Thomas Ullrich)、維努高帕蘭(Raju Venugopalan)
翻譯/陳義裕

物理

謎樣膠子 維繫萬物

數十年前,物理學家發現萬物都是由夸克組成,並受到一種稱為「膠子」的粒子所束縛,而形成質子和中子。膠子維繫萬物,但是我們仍不清楚膠子作用的細節。

撰文/安特(Rolf Ent)、伍瑞克(Thomas Ullrich)、維努高帕蘭(Raju Venugopalan)
翻譯/陳義裕


重點提要
■這個世界的物質基本上都是由夸克組成,並由一種稱為「膠子」的極黏粒子束縛住夸克。物理學家對於夸克和膠子的運作雖已有長足的進展,但是令人困惑的謎題仍然存在。
■關於原子內質子或中子的質量和自旋,究竟有多少是來自夸克和膠子,我們仍不清楚。此外,夸克和膠子似乎具有奇怪的色荷,但質子或中子是色中性。
■未來的實驗將以前所未見的精細程度來呈現物質的組成,可以幫助物理學家更加了解夸克和膠子的作用。


古希臘人相信原子是組成宇宙萬物最小的單元。然而20世紀的科學家發現原子是可分割的,顯示出原子有更小的組成:質子、中子和電子。接著,人們又發現,質子或中子是由更小的夸克(quark)組成,並由一種稱為膠子(gluon)的粒子來「膠黏」夸克。我們現在知道這些粒子是真正的基本粒子,但是這個圖像其實仍不完備。


透過實驗方法來一窺質子或中子的內部,結果呈現在我們眼前的,竟然是眼花撩亂的景象。每個質子(或中子)都是由三個夸克和數個膠子組成,裡面同時還有成對的夸克與反夸克(夸克的反物質粒子)不斷產生又湮滅,這些夸克稱為「海夸克」(sea quark)。宇宙中由夸克組成的粒子也不是只有質子和中子;過去半個世紀以來的加速器實驗已經創造出一大堆內含夸克和反夸克的粒子,這類粒子和質子、中子合稱為強子(hadron)。


儘管已經增長了這些見解,也略微知道個別夸克和膠子的作用,說來令人洩氣的是,物理學家仍然無法透過夸克和膠子,來全盤解釋質子、中子和其他強子的一切性質與行為。例如,把質子內夸克和膠子的質量加總,結果還差質子的質量一截,這就形成一個謎題:不足的質量從何而來?再者,我們還想知道膠子究竟如何束縛夸克,以及為什麼這種束縛力會取決於夸克的特殊性質「色荷」(color charge)。此外,我們也不知道怎麼透過夸克和膠子的自旋(spin)來湊出質子的自旋。這也是一個謎題,因為要把這些粒子個別的自旋加總成質子整體的自旋,並不簡單。


如果物理學家能夠回答這些問題,我們才算是從最基礎的層面來了解物質運作的道理。釐清夸克和膠子的主要謎題,是辨明物質在最微小層面中的主要步驟。這些目前正進行的或未來的研究,包括探索夸克和膠子的奇特組態等,也應該都有助於解開謎題。如果運氣夠好,不久之後我們將可撥雲見日。


質子質量從何而來?
質量之謎是令物理學家最苦惱的問題之一,也讓我們稍稍了解夸克和膠子複雜的運作方式。


基本上,我們已經掌握夸克和輕子(lepton,另一類基本粒子,成員有電子、緲子等,參見右頁〈構成萬物的粒子〉)是如何擁有質量,機制是希格斯玻色子(Higgs boson)和無所不在的希格斯場(Higgs field)引起。2012年,我們在日內瓦附近、歐洲核子研究組織(European Organization for Nuclear Research, CERN)的大強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC)中發現希格斯玻色子,算是一件風光盛事。


當粒子穿過希格斯場時,與希格斯場的交互作用就賦予其質量。有人會說,希格斯機制能夠解釋可見宇宙的質量起源,這句話其實不對。夸克質量只佔質子或中子質量的2%,我們相信其餘的98%主要由膠子的作用而來,但是絲毫不清楚膠子究竟如何形成質子或中子的部份質量,因為膠子根本沒有質量。


愛因斯坦著名的質能互換公式提供了解決此謎題的一條線索。把該公式改寫成m=E/c2,我們可以把靜止質子的質量m視為其能量E,不過要再除以光速的平方(c2)。由於質子的能量大部份是由膠子所貢獻,理論上我們只需算出膠子的淨能量即可。


但是計算膠子的能量困難重重,原因之一是求得膠子的總能量受限於數個因素。沒有跟其他粒子結合的自由粒子,其能量就是運動能量,問題在於夸克或膠子幾乎不會單獨存在,夸克或膠子以自由之身存在的時間稍縱即逝(比3×10-24秒更短),恨不得立即跟其他次原子粒子結合而完全隱匿身影。再者,就膠子來說,總能量不只是運動能量,還有束縛夸克而形成新的粒子所耗費的能量。為了解決質量之謎,我們勢必得更加了解膠子究竟如何進行「膠黏」。在這一點上,膠子設下重重路障,鐵了心不讓我們輕易跨過。


膠子如何膠黏?


就某層次而言,膠子如何膠黏的答案很簡單:膠子支使強核力,但強核力本身就是個謎題。


強核力、重力、電磁力和弱核力(導致放射性衰變)是自然界的四種基本作用力,強核力是目前所知的四種作用力之中最強的,因而得名。除了束縛夸克形成強子,強核力還把質子和中子束縛在原子核中,並克服原子核內質子之間因同性電荷產生強大的電磁排斥力。自然界的每一種基本作用力似乎都有各自的傳遞子(force carrier),正如光子是傳遞電磁力的粒子,膠子則是傳遞強核力的粒子。


直到目前為止,似乎沒有任何問題,但是強核力偶爾會有出人意表的行徑。根據量子力學,作用力的範圍跟傳遞子的質量成反比。例如電磁力的作用範圍是無窮大,理論上,地球的一個電子會受到月球背面另一個電子微小的電磁排斥力作用。光子傳遞兩個電子之間的作用力,所以沒有質量。相較於電磁力,強核力的作用範圍跨不出原子核,這件事暗指膠子的質量應該很大,然而膠子似乎沒有質量。


強核力另一種奇特性質是:當夸克兩兩相距越遠時,強核力似乎抓得越用力。相形之下,兩塊磁鐵間的磁力,只有在兩磁鐵靠近時才比較強,離遠一點就變弱了。物理學家最早觀察到夸克是在1960年代,於美國史丹佛直線加速器中心(SLAC,如今稱為SLAC國家加速器實驗室)進行實驗,以高能量的電子撞擊質子。他們發現,有時候電子會直接穿過,但是有時候會撞到很堅實的東西而發生反彈。


電子反彈的速率與方向,會透露出質子內夸克的存在和分佈狀況。這些稱為深度非彈性散射(deeply inelastic scattering, DIS)的實驗顯示,當夸克兩兩距離很近時,只是微弱地相吸在一起,但是距離拉長時,反而不會發現自由的夸克,意味此時的強核力很強。


要具體設想強核力如何作用,可假想夸克彼此都受到繩子 所牽絆。當夸克兩兩相近時,繩子是鬆垮垮的,所以夸克似乎感受不到強核力。當夸克兩兩離開比較遠時,繩子就會拉住夸克。當夸克之間的距離大約是質子大小時,繩子的張力相當於16公噸重。如果有外力克服強核力的拉扯,那又會如何?繩子會斷裂。此繩子會如何斷裂,又是我們無法完全解釋的另一個謎題,但這對於膠子如何在原子核內引起膠黏,又不至於溢出,偏偏是極為關鍵。


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