千百年來，物理學家們一直在思考著一個終極謎題：物質的本質是什麼？

今天我們已經知道，大到宇宙中的星系，小到你口中的一粒大米，甚至是看不見的細菌病毒，都是由各種原子、分子或者離子構成的，而這些粒子說到底，都是由質子、中子和電子構成。

對於中學生來說，質子和中子就是最小的粒子了。但是我們知道，質子和中子也都是由更小的粒子構成，那就是夸克，而夸克才屬於所謂的基本粒子。

夸克與強相互作用

夸克一共有六種“味”，分別是上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、頂夸克以及底夸克。其中質子是由兩個上夸克和一個下夸克組成，中子是由兩個下夸克和一個上夸克組成，夸克之間由一種叫做膠子的粒子相互束縛在一起。

說起來，膠子和光子有一點類似，它們都是玻色子，也就是自旋為0的粒子。同時，它們都能夠傳遞一種最基本的作用力，比如光子傳遞的就是電磁力，而膠子能夠束縛夸克，因此它傳遞的力就是強相互作用，這就是所謂的量子色動力學。

然而強相互作用與電磁力又有著本質上的不同，比如前者是短程力，而後者是長程力。還有一點非常怪異，那就是電磁力隨著兩個相互作用的物質距離的增加而減弱，這一點我們平時都能夠理解；然而強相互作用恰好相反，隨著兩個夸克之間距離的增大，這種作用力會以更大的幅度增加。

因此，直到今天也沒有人能夠真的將兩個夸克分開，單獨觀測其中的一個。這種現象叫做夸克禁閉，意味著夸克永遠都只能被束縛在一種名為強子的亞原子粒子中。質子和中子都是典型且大家都比較熟悉的強子，此外科學家們還發現了許多平常我們根本沒聽說過的強子。

當然，單獨的夸克也不是從來沒出現過。在宇宙大爆炸剛剛發生之後不久，由於溫度過高，夸克之間也無法穩定地結合在一起，因此就形成了所謂的夸克湯狀態。

被撞碎的粒子

如今，在人類強大的科技下，夸克也會有那麼一瞬間會出現分離的情況，那就是在粒子對撞機中。在瑞士日內瓦的地下，坐落著世界上最強大的粒子對撞機，那就是歐洲核子研究組織的大型強子對撞機。在這裡，亞原子粒子可以被加速到接近光速，然後透過碰撞，給我們提供研究基本粒子的絕佳機會。

而在這種情況下，奇怪的事情就會發生。

我們知道，宇宙中除了物質之外還有反物質存在，每一種夸克也有對應的反夸克。當大型強子對撞機裡的質子中有一個夸克被炸出來時，強大的能量還會導致一個夸克-反夸克對出現，而新產生的夸克會進入到質子中讓質子恢復原來的狀態，而反夸克就會和那個夸克相結合，形成另一種亞原子粒子——介子。

原來，夸克之間的組合，還可以產生這樣的粒子。

（圖片說明：四夸克態藝術圖）

實際上，夸克的不同組合，可以產生出各種各樣的亞原子粒子。早在夸克剛剛被發現的時候，科學家們就已經預言了：夸克與反夸克可以組合成介子、三個夸克可以組成重子（比如質子和中子）、三個反夸克的組合就是反強子，他們甚至預言了兩個夸克和兩個反夸克組成的四夸克態、四個夸克與一個反夸克組成的五夸克態（只要夸克數減去反夸克數後是3的倍數）……

然而，在相當長的時間裡，科學家們都只是透過大型強子對撞機制造出了各種各樣的強子和介子，直到2003年的時候，日本的貝爾實驗發現了一種全新的粒子，這也就是人類首次發現的四夸克態粒子。2015年，科學家們在大型強子對撞機中製造出了五夸克態粒子。

那些在教科書中“預言”了幾十年的粒子，如今終於被科學家們發現了。

（圖片說明：五夸克態藝術圖）

新的粒子，新的問題

但是，對於五夸克態，科學家們還有些疑問。它真的是一個包含著五個夸克的亞原子粒子嗎？有人認為是肯定的，它就是一種和質子、中子一樣的獨立強子。

不過，也有一些人提出了不同的看法，他們認為五夸克太其實是一個介子與一個質子組成的一種特殊粒子，或者說是一種特殊的“分子”，而被我們誤認為是五個夸克被束縛在了一起。

（圖片說明：五夸克態也有可能是一個介子和一個質子組成的特殊粒子）

實際上，科學家們對於夸克組成的亞原子粒子還有很多不明白的地方。

到目前為止，算上最近發現的四個新的強子（包括四夸克態粒子、介子和重子），大型強子對撞機已經發現了共計59個不同的強子。從這些強子中，科學家們似乎發現了物理學上允許什麼樣的夸克組合存在（哪怕只是一瞬間），同時又拒絕哪種夸克組合的出現。

比如說，這些強子中普遍都含有粲夸克或者底夸克這種比較重的夸克。尤其是在四夸克態和五夸克態中，除了一個特殊情況外，其他普遍都包含一個粲夸克對。而奇怪的是，沒有任何相應的粒子中包含奇夸克，搞得好像它是被歧視的“歧”夸克……

（圖片說明：大型強子對撞機發現的59種粒子）

對於每一個新發現的強子，科學家們都能夠測量出它的質量和其他一些屬性，這對於他們瞭解這種粒子以及涉及到的強相互作用有著重要的幫助。隨著被發現的強子越來越多，科學家們也將可以更好地找到理論與實驗之間的差異，從而調整相應的模型。

付出了這麼多，科學家們最終的目的就是——建立超越標準模型的物理學。目前來說，標準模型仍然是科學家們的參考，然而它也存在著很多的問題，比如和宇宙模型有著一些分歧，無法解釋宇宙的形成過程。

科學家們相信，對於幾乎是無限大的宇宙來說，它最深層的秘密反而隱藏在最小的微觀粒子中。我們期待著大型強子對撞機以及世界其他的粒子對撞機能夠在未來取得越來越多的突破。宇宙的終極秘密，或許就等著它們去揭開了。