基本粒子 (elementary particle)

前一陣子 CERN 發現了標準模型  (Standard Model) 中最後一個粒子 Higgs 之後，標準模型現在堪稱完備。Higgs 粒子是給予各種粒子重量的來源；有了它，各種粒子的重量才有根源。現在當然還在忙於整理資料，讓 Higgs 的性質能更清楚。

Higgs 粒子存在的預測純粹是從理論的角度出發。標準模型想要把電磁作用 (electromagnetism) 和弱作用 (weak interaction) 統一成單一的作用。弱作用的中介粒子 (intermediate particle，扮演交互作用力的角色) W+、W-、Z 的質量都很大；但是電磁作用的中介粒子光子 (photon) 卻是沒有質量的。如果它們是同一種力，而力的背後通常有一個對稱 (symmetry)，理論上這四個中介粒子應該有相同的質量，但實際上差距極大。這時粒子物理學 (particle physics) 家從固態物理 (solid state physics) 學到了智慧：系統的確是有對稱的，但是這個系統的基態 (ground state) 並不是一個對稱的狀態，所以系統的原對稱就被破壞了，這就叫自發性對稱破缺 (Spontaneous Symmetry Breaking; SSB)，這是 Higgs 粒子被引入的源起，純粹由理論的需要來引入。這是個跨學科之間知識可以相互發明的好例子。

粒子物理的下一步呢？當然還有很多謎題，像是為什麼輕子 (lepton，譬如電子) 、夸克 (quark) 有重量懸殊的三代？有直接想從最基本理論入手的，像是弦論 (string theory) 及它的種種變形，這是大躍進式的發展。弦論發展迄今有 30 年，不能說是一事無成，但是至今沒法給一個與現實直接關聯的預測。沒有預測就沒有辦法驗證正確與否，那就不屬於科學的範疇。

比較保守的發展方式是假設輕子和夸克也是由更基本的粒子組成，這粒子叫 preon。Preon 有兩種：一種電荷是 1/3，另一種電荷為 0。它們的自旋 (spin) 都是 1/2，也都有自己各自的反粒子。所有的輕子、夸克及中介粒子都是由這些 preon 組成。

這樣的理論聽起來沒有弦論那麼高尚，但是有一個弦論比不上的好處：它可以被實驗直接驗證。驗證的方法有二：一是檢驗夸克粒子是不是真正的點狀粒子 (point-like particle)，沒有再下一層的組織；二是檢驗電子的磁矩，基本上也是輕子是否點狀粒子的檢查。這兩個實驗都是現在對撞機 (collider) 能量可及的範圍，所以也是下一步高能物理實驗的重點。

從科學發展的歷史來看，人類先把物質分成化學元素 (化學就是那時候的粒子物理)，然後將元素分為質子、中子和電子 (核物理就是那時候的粒子物理)，又把中子、核子等分成夸克。Preon也許被驗證為真，也可能又有更基本的粒子。這個過程好像是剝洋蔥，一層剝完又有一層，不知伊于胡底。但是這種漸近式的發展卻走得很結實。反倒是想一步到位的理論，像是亞里斯多德的風、火、水、土四元素，錯的機會大很多。