CERN 大型強子對撞機的 CMS 偵測器分析了質子碰撞，並沒有發現夸克內部結構的證據。研究使用了大型強子對撞機第二階段運行的數據，並測試了高達 10⁻²⁰ 公尺的尺度。這些結果強化了目前的粒子物理模型。
夸克形成質子和中子，而質子和中子又構成普通物質。該理論將它們描述為點粒子，沒有更小的部分。先前的實驗已經證實了這一觀點，但對更深層的探索仍在繼續。這項新研究提高了觀察極限。
盧瑟福指導了目前的調查方法
該實驗遵循歐內斯特·盧瑟福 (Ernest Rutherford) 在 1911 年使用的原理。他用 α 粒子轟擊金箔並觀察散射角。大多數直接通過，但也有一些反彈。這揭示了原子核集中在中心。
在大型強子對撞機中，質子碰撞將這些質子分解成夸克。夸克以粒子射流的形式出現。 CMS 測量這些射流之間的角度分佈。如果夸克具有內部結構，那麼噴流的形狀會在一定的能量下改變。收集的數據並未顯示出這種顯著偏差。
團隊檢查了超過一百萬個事件。角度分佈與點粒子的標準模型預測相符。在高品質範圍內出現微小差異，但屬於統計和系統不確定性範圍內。
分析使用 13 TeV 下的 138 fb⁻ 數據
該研究基於 13 太電子伏特的碰撞。綜合亮度達138 fb⁻1。研究人員校正了偵測器效應，並將其與 NNLO 階的微擾 QCD 計算以及電弱 NLO 校正進行了比較。
- 不同雙噴射質量範圍內的歸一化角分佈
- 與複合夸克場景的直接比較
- 夸克之間接觸相互作用的限制
- 額外維度、量子黑洞和暗物質介體的約束
迄今為止最嚴格的限制排除了高於特定能量尺度的複合夸克。在左手夸克參考模型中，相長干涉的極限達到 37 TeV。
夸克仍然是基本塊
物理學已經經歷了幾次革命。在原子核被發現之前，原子是不可分割的。直到 1968 年夸克在 SLAC 得到證實之前，質子和中子似乎還很基本。現在，CMS 將測試推向比質子大小小一千倍的距離。
即使沒有子結構的跡象，科學家也不排除更小尺度上的可能性。目前的實驗限制了大於 10⁻²⁰ m 的結構。這大約相當於質子直徑的千分之一。
此結果也約束了標準模型以外的其他現象。膠子、類軸子粒子和暗物質介體的異常耦合受到更嚴格的限制。該分析在一份出版物中涵蓋了多個理論模型。
大型強子對撞機的未來將帶來更高的精準度
大型強子對撞機運作的第三階段已經開始收集新數據。計劃於 2030 年進行的 HiLumi LHC 升級將大大增加碰撞率。透過更多的統計數據，研究人員將減少測量散射角的不確定性。
更精確的測量可以揭示細微的偏差或進一步確認夸克的點狀行為。 CMS 計劃繼續尋找噴射機分佈中新物理的跡象。
我們周圍的普通物質取決於這些粒子。關於其成分的任何發現都會影響對宇宙的理解，包括暗物質和力的統一等問題。目前，夸克保持其基本粒子的地位。
科學家強調，缺乏證據並不能證明確實不存在。未來使用更高能量或不同技術的實驗可以探索更小的距離。大型強子對撞機仍然是這一領域的主要工具。