精度推至10⁻²⁰米，科学家深入探查夸克内部，未发现内部结构

物质究竟由什么构成？这个问题人类已经追问了几千年，每一次以为找到了终点，却总在前方发现另一扇门。

CERN大型强子对撞机上的CMS实验合作组最新发表的研究，将这个问题推进到了前所未有的深度。科学家们利用LHC第二轮运行产生的海量碰撞数据，将夸克探测精度推至10⁻²⁰米量级，相当于质子直径的十亿分之一。在这个尺度上，夸克依然没有露出任何"内部构造"的痕迹。

这是迄今为止人类在这一方向上设定的最严格约束。

卢瑟福式的追问，LHC规模的实验

理解这项研究，需要先回到一百多年前的一个经典实验。

1909年，欧内斯特·卢瑟福将α粒子束射向极薄的金箔，通过测量粒子被弹开的角度分布，他惊讶地发现原子中央藏着一个极小而致密的原子核，彻底推翻了当时"枣糕式"原子模型。这个逻辑今天依然有效：如果一个粒子内部存在更小的结构，高能粒子打上去之后，散射角的分布会偏离"点状粒子"的理论预测。

CMS实验用的正是这套逻辑，只是规模扩大了数十亿倍。在LHC内部，两束质子以接近光速的速度对撞，碰撞瞬间质子分裂，露出内部的夸克。出射的夸克随即转化为两道粒子喷流，CMS探测器精确记录这两道喷流之间的散射角分布，再与夸克为纯粹点状粒子时的理论预测进行比对。

结果是：两者高度吻合，没有发现统计意义上的显著偏差。

质子在1968年被证明由夸克组成，但夸克是否由更小的粒子组成的问题尚未得到解答。图片来源：A. Iqbal/CMS

如果夸克真的由更小的粒子组成，也就是物理学家所说的"复合结构"，这些子粒子的相互作用会在特定能量尺度上留下可测量的印记。CMS此次分析将这种"复合性"能量尺度的下限推至37 TeV，远高于以往任何实验的约束，对应的空间尺度精度达到10⁻²⁰米。换句话说，如果夸克内部确实存在更小的结构，其尺寸必须小于这个数值，否则CMS早就看到信号了。

"最小构成"的边界，还在向前推移

这个结果本身并不令人意外，但它的价值不在于"发现了什么"，而在于"把边界推得更远"。

粒子物理学标准模型将夸克和电子等粒子定义为基本粒子，即没有内部结构的点状客体。这一框架在过去几十年里经受了无数实验的检验，表现极为稳健。但历史的教训恰恰告诉我们，"暂时看不到内部结构"并不等于"没有内部结构"，原子核、质子、中子都曾经被认为是不可分割的基本单元，却一次又一次被证伪。

夸克的故事会不会重演？这正是CMS不断向更小尺度推进的动力所在。

从理论层面看，弦理论和超对称理论等多种扩展框架均允许夸克存在内部结构，只是尺度可能极小，超出当前对撞机的探测能力。一些理论物理学家提出了"前夸克"或"次夸克"的概念，作为标准模型之下更基础层级的候选者。但截至目前，这些想法没有任何实验证据支撑，而每一次新的精确测量，都在进一步压缩这类理论的生存空间。

CMS合作组指出，即将到来的LHC第三轮运行和未来的高亮度LHC（HL-LHC）升级，将大幅提升碰撞数据量，使散射角测量的统计不确定性显著下降。届时，探测灵敏度有望进一步突破，或将夸克复合性能量约束再向前推进数个量级。

现在的答案是：在10⁻²⁰米之上，夸克还是那个"最小的盒子"，里面什么也没有。但这扇门，从未真正关上过。