撰文 | C. Wood
從遙遠的快速旋轉的脈衝星，到地球上的一草一木，在宇宙這個舞臺上孕育了各種奇異而美麗的物質形式。但當我們刨根問底的時候就會發現，這一切的一切，竟然都僅僅是由三種基本粒子構成的，即電子、上夸克和下夸克。它們以各種方式混合在一起，形成了現有的每一個原子。
但這三種粒子並不是故事的全部，它們僅僅只是三代物質粒子中的第一代：
夸克和輕子都屬於費米子，它們都可以被劃分為三代。
每一代物質粒子都比前一代更加的重。由於第二代和第三代粒子不穩定，因此它們會迅速的轉變成更輕的版本，因此宇宙中並沒有這兩代粒子形成的奇異恆星或奇花異草。看起來，就算宇宙沒有更重的兩代粒子似乎也能夠運作良好，但為什麼有三代？其背後的原因是物理學家一直在探索的。
上世紀70年代，追求某種更深層、更基本原理的物理學家們建立了粒子物理學的標準模型，它描述了所有已知基本粒子，以及它們之間的複雜相互作用。物理學家想借助標準模型來窺探為何物質粒子剛好不多不少的存在三代這一問題。然而，沒人能破解其中的奧秘，這個問題基本上被擱置一旁。
然而最近，就在許多理論物理學家已經幾近放棄的現狀下，標準模型的設計者之一、現年86歲的諾獎得主史蒂芬·溫伯格（Steven Weinberg）在《物理評論D》雜誌上發表了一篇論文，重新喚起了大家對這個謎團的思考。論文中提到，粒子質量的一種有趣模式或許能引領未來的研究方向。
1967年11月20日，史蒂芬·溫伯格（Steven Weinberg）在物理評論快報上發表的一篇標誌性的論文：《輕子模型》（A Model of Leptons），為高能粒子物理學在20世紀後半葉的發展指明瞭方向。
標準模型並沒有預測基本粒子的質量大小，這些值只能通過實驗測得，然後再將測量結果代入到理論背後的方程中。測量結果顯示，第一代粒子中的電子重0.5MeV（兆電子伏特），而它的第二代和第三代對應粒子——μ子和τ子的質量則分別為105 MeV和1776 MeV。同樣地，與二、三代相比，第一代粒子中的上夸克和下夸克也是最輕的，第三代的頂夸克和底夸克最重，其中頂夸克的質量高達173210 MeV。
假設電子（e）的質量為1，那麼τ子的質量是電子的約3000倍，而頂夸克的質量則是電子的約340000倍。
當物理學家審視這些數值時，發現了一種有趣的規律：第三代粒子都重達數千兆電子伏特，第二代粒子都重達數百兆電子伏特，而第一代粒子都只有約一兆電子伏特。從第三代到第一代，粒子的質量以指數級變輕。
標準模型中的粒子質量與瀰漫在宇宙中的希格斯場有關，粒子與希格斯場的作用越強，就會獲得越大的質量。例如最重的頂夸克在穿過希格斯場時，會“感受”到強烈的阻力，就好像是一隻蒼蠅被粘在了蜂蜜裡；而輕便的電子在希格斯場中就像蝴蝶輕快地飛舞在空中一樣。每種粒子對場的感受都是這種粒子本身的一個內在屬性。
在標準模型建立之初，它給物理學家帶來了無數激情和靈感。眾多科學家都摩拳擦掌地試圖用它來解釋粒子的屬性。比如在1978年，物理學家徐一鴻（Anthony Zee）與他當時的學生Stephen Barr在《物理評論D》中發表了一篇論文，他們創建了一個可以通過精細結構常數、μ子的質量、溫伯格角來計算電子質量的模型。Barr和徐一鴻教授在1978年發表的只是一個大致的想法，但僅僅幾年之後，這一想法便因為弦理論的出現而被擱置一旁。
徐一鴻與Barr的核心思想部分受到了溫伯格早期研究的啟發。與頂夸克那無法忽視的大質量相比，電子和其他一些粒子的質量顯得微不足道。他們認為，在某種意義上，只有較重粒子的質量才是最基本的。
到了2008年，物理學家Patrick Fox和Bogdan Dobrescu再次對這一問題發起進攻。他們認為，從某種程度上看，頂夸克是非常特別的，因為頂夸克的質量恰好大致等同於希格斯場的平均能量，因此他們假定只有頂夸克穿越希格斯場的方式是標準的。
其他粒子與希格斯場的作用是間接的。這是有可能的，因為量子力學的不確定性允許粒子在短時間內突然出現。這些稍縱即逝的粒子在更永久的粒子周圍形成了“虛”粒子云。例如，當虛頂夸克聚集在一個μ子（第二代粒子）周圍時，它們可以通過與一種新的假想粒子相互作用，將μ子暴露在希格斯場中，從而使μ子也具有一定的質量。但是因為這種曝光是間接的，所以其質量比頂夸克要輕得多。
讓第一代粒子以類似的數量級輕於第二代粒子的機制與上一段所述的機制類似。值得一提的是，在所有粒子中，最輕的中微子也有三代。但它們的性質與其他基本的大質量粒子非常不同，因此不適合用於用這種機制解釋。
溫伯格在最近的論文中重新探討了這種間接機制的各種可能工作方式。他將感受希格斯場的能力賦予了整個第三代物質粒子——即頂夸克、底夸克、τ粒子。通過與某些奇異的虛粒子相互作用，質量從三代向下傳遞到第二代和第一代。
然而，無論是溫伯格，還是Fox和Dobrescu的方法都沒能成功。Fox和Dobrescu的方法最終反而增加了標準模型中無法解釋的常數的數量，以解釋三代粒子質量。溫伯格的研究則把某些質量之間的關係搞錯了，並且未能描述出高質量粒子是如何轉變成低質量粒子的。Fox認為，溫伯格之所以撰寫這篇論文，可能是為了鼓勵其他物理學家來接受這項挑戰，並提前告知這個過程中會必然出現的問題。
Fox認為，這些問題並非是致命的打擊，而是預示了現有理論需要得到更多調整的跡象。當然，還有一部分物理學家並不認同單獨挑選出第三代粒子，以及短暫存在的粒子云這種方法。
能夠支持或區分物質粒子質量理論的唯一可靠證據，就是發現預測出的每一種奇異粒子。大型強子對撞機（LHC）還沒有發現任何異常，但Fox仍保持樂觀，期待它們總有一天會出現。他認為一些探索罕見的粒子轉換的實驗（比如當費米實驗室的Mu2e上線之後，可以研究μ子到電子的衰變）最有可能間接探測到中間粒子，並動搖標準模型。
本文經授權轉載自微信公眾號“原理”。本文編譯自Charlie Wood於2020年3月30日發表在Quanta Magazine的文章：Why Do Matter Particles Come in Threes? A Physics Titan Weighs In. 原文鏈接：https://www.quantamagazine.org/why-do-matter-particles-come-in-threes-a-physics-titan-weighs-in-20200330/
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.101.035020
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.17.1854
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1126-6708/2008/08/100/pdf
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