世界还能再细分吗？ 在10⁻²⁰米尺度上，科学家看到了不想看到的东西

科学家试图细分夸克。

质子是由夸克构成的，那夸克是否又是由更小的粒子构成的呢？A. Iqbal / CMS

科学研究的一个重要方法是细分。将一份东西切开来看看，再切开来看看，无限地细分下去，看看它究竟是由什么构成的。

细分的结果，是我们知道世界是由很多粒子构成的。比如分子，比如原子，比如质子和中子，以及电子和光子等等。这些粒子中有一些是可以再细分的：比如分子，是由原子构成的；而原子，还可以细分为质子、中子和电子，等等。但有些粒子是无法再细分的。

无法再细分的粒子，被称作“基本粒子”。比如构成质子的夸克，是一种点状的基本粒子。

但是无论怎样，都挡不住人的好奇心。依然有很多科学家想要借助新出现的技术，来看看基本粒子是否真的如人所说的那样“基本”。

近日，欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机（LHC） “紧凑μ子线圈合作组 （CMS，Compact Muon Solenoid Collaboration）”在一篇论文中称，他们试图在10⁻²⁰米尺度上寻找夸克的内部结构，结果实验结果表明，至少目前看来，夸克真的依然很“基本”。

虽然在如此微观的尺度上，从未有人发现过与粒子结构有关的证据，但是历史也表明，那些曾经被视为最基本的东西，往往还有更深层的结构。比如以前的科学家一度认为分子是物质的基本结构，但后来发现完全不是这样。

科学家一直喜欢使用粒子对撞，来探测物质的内部结构。原子核之所以能够被发现，就是因为核物理之父——欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）用一束氦核轰击了一片金箔。通过测量氦核散射的角度，他最终发现原子中心存在一个点状原子核。而之所以能够获得这一发现，主要就是因为氦核粒子束具有足够高的能量。

时至今日，科学家的这一梦想仍在由粒子对撞机延续着。通过更高能量级的粒子对撞，人们希望能够继续细分这个世界。

当两束质子发生对撞，它们会分解为夸克。通过测量飞出的两束夸克，科学家可以获得夸克之间的散射角。而将散射角的分布与理论预期进行比较，就可以获知夸克是否存在更加微观的内部结构。

这一次的对比结果显示，这些夸克的散射分布与理论预期相比并无太大差异——这表明，在该尺度上，夸克没有内部结构；但话也不能说死——假如夸克有内部结构，其尺度必然比10⁻²⁰米还要小。

该估算结果是基于夸克“复合性”显现的能量标度限制推导得出的。合作组在近期论文的基准模型中，假设夸克具有复合结构；而最新实验结果将其能量标度限制设定在了迄今为止最严格的37 TeV。

是否能够继续细分世界，在很大程度上取决于我们用来切分这个世界的“刀”是否足够“锋利”——亦即用来轰击粒子的粒子束是否拥有足够高的能量。未来更多的对撞实验，以及更高能对撞机的出现，或许可以让我们获得这种能力。

参考

Measurement of dijet angular distributions and search for beyond the standard model physics in proton-proton collisions at √s = 13 TeV

https://arxiv.org/abs/2603.25458