精度推至10?2?米，科學家深入探查夸克內部，未發現內部結構

物質究竟由什么構成？這個問題人類已經追問了幾千年，每一次以為找到了終點，卻總在前方發現另一扇門。

CERN大型強子對撞機上的CMS實驗合作組最新發表的研究，將這個問題推進到了前所未有的深度。科學家們利用LHC第二輪運行產生的海量碰撞數據，將夸克探測精度推至10?2?米量級，相當于質子直徑的十億分之一。在這個尺度上，夸克依然沒有露出任何"內部構造"的痕跡。

這是迄今為止人類在這一方向上設定的最嚴格約束。

盧瑟福式的追問，LHC規模的實驗

理解這項研究，需要先回到一百多年前的一個經典實驗。

1909年，歐內斯特·盧瑟福將α粒子束射向極薄的金箔，通過測量粒子被彈開的角度分布，他驚訝地發現原子中央藏著一個極小而致密的原子核，徹底推翻了當時"棗糕式"原子模型。這個邏輯今天依然有效：如果一個粒子內部存在更小的結構，高能粒子打上去之后，散射角的分布會偏離"點狀粒子"的理論預測。

CMS實驗用的正是這套邏輯，只是規模擴大了數十億倍。在LHC內部，兩束質子以接近光速的速度對撞，碰撞瞬間質子分裂，露出內部的夸克。出射的夸克隨即轉化為兩道粒子噴流，CMS探測器精確記錄這兩道噴流之間的散射角分布，再與夸克為純粹點狀粒子時的理論預測進行比對。

結果是：兩者高度吻合，沒有發現統計意義上的顯著偏差。

質子在1968年被證明由夸克組成，但夸克是否由更小的粒子組成的問題尚未得到解答。圖片來源：A. Iqbal/CMS

如果夸克真的由更小的粒子組成，也就是物理學家所說的"復合結構"，這些子粒子的相互作用會在特定能量尺度上留下可測量的印記。CMS此次分析將這種"復合性"能量尺度的下限推至37 TeV，遠高于以往任何實驗的約束，對應的空間尺度精度達到10?2?米。換句話說，如果夸克內部確實存在更小的結構，其尺寸必須小于這個數值，否則CMS早就看到信號了。

"最小構成"的邊界，還在向前推移

這個結果本身并不令人意外，但它的價值不在于"發現了什么"，而在于"把邊界推得更遠"。

粒子物理學標準模型將夸克和電子等粒子定義為基本粒子，即沒有內部結構的點狀客體。這一框架在過去幾十年里經受了無數實驗的檢驗，表現極為穩健。但歷史的教訓恰恰告訴我們，"暫時看不到內部結構"并不等于"沒有內部結構"，原子核、質子、中子都曾經被認為是不可分割的基本單元，卻一次又一次被證偽。

夸克的故事會不會重演？這正是CMS不斷向更小尺度推進的動力所在。

從理論層面看，弦理論和超對稱理論等多種擴展框架均允許夸克存在內部結構，只是尺度可能極小，超出當前對撞機的探測能力。一些理論物理學家提出了"前夸克"或"次夸克"的概念，作為標準模型之下更基礎層級的候選者。但截至目前，這些想法沒有任何實驗證據支撐，而每一次新的精確測量，都在進一步壓縮這類理論的生存空間。

CMS合作組指出，即將到來的LHC第三輪運行和未來的高亮度LHC（HL-LHC）升級，將大幅提升碰撞數據量，使散射角測量的統計不確定性顯著下降。屆時，探測靈敏度有望進一步突破，或將夸克復合性能量約束再向前推進數個量級。

現在的答案是：在10?2?米之上，夸克還是那個"最小的盒子"，里面什么也沒有。但這扇門，從未真正關上過。