关于粒子物理学介绍

[拼音]：lizi wulixue

[外文]：particle physics

又称高能物理学或基本粒子物理学，物理学的一个分支学科。它研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构性质和在很高的能量下，这些物质相互转化的现象，以及产生这些现象的原因和规律。它是一门基础学科，是当代物理学发展的前沿之一。粒子物理学是以实验为基础，而又基于实验和理论密切结合发展的，它大致经历了三个阶段。

第一阶段(1897～1937)

在这个阶段里，两千多年来人们关于物质是由最小构成单元──原子构成的思想，由哲学的推理，变成了科学的现实，而且在这个阶段终了时，形成了现代的基本粒子的思想。

原子的概念，是由2 400年前的希腊哲学家德谟克利特和中国战国时代的哲学家惠施提出来的。惠施说:“至小无内，谓之小一，”意思是最小的物质是不可分的，称作最小的单元。这个最小的单元，就是德谟克利特称为原子的东西。但是他们都没能说明原子或“最小的单元”具体是什么。之后的2 000多年间原子这个概念，只停留在哲学思想的范畴。

1897年，J.J.汤姆孙在实验上发现了电子，1911年，E.卢瑟福由 α粒子大角度d性散射又证实了带正电的原子核的存在，这样，就从实验上证明了原子的存在和原子是由电子和原子核构成的。

1932年，J.查德威克在用α粒子轰击核的实验中发现了中子。随即人们认识到原子核是由质子和中子构成的，从而得到了一个所有的物质都是由基本的结构单元──质子、中子和电子构成的统一的世界图像。

就在这个时候开始形成了现代的基本粒子概念。 1905年，A.爱因斯坦提出电磁场的基本结构单元是光子，1922年被A.H.康普顿等人的实验所证实，因而光子被认为是一种“基本粒子”。1931年，W.泡利又从理论上假设存在一种没有静止质量的粒子──中微子（严格地讲是反中微子，中微子的存在是1956年由F.莱因斯和C.L.科恩在实验上证实的）。

相对论性量子力学预言，电子、质子、中子、中微子都有质量和它们相同的反粒子。第一个反粒子──正电子（电子的反粒子）是1932年C.D.安德森利用放在强磁场中的云室记录宇宙线粒子时发现的，50年代中期以后陆续发现了其他粒子的反粒子。

随着原子核物理学的发展，发现除了已知的引力相互作用和电磁相互作用之外，还存在两种新的相互作用──强相互作用和弱相互作用。标志四种相互作用的强度的无量纲相互作用（耦合）常数及由它们引起的过程速率（反应率）见表1。

第二阶段(1937～1964)

这个阶段的开始以1937年在宇宙线中发现μ子为标志。

1934年，汤川秀树为解释核子之间的强作用短程力，基于同电磁作用的对比，提出这种力是由质子和（或）中子之间交换一种具有质量（电子质量的200～300倍）的基本粒子──介子引起的。1936年，C.D.安德森和S.H.尼德迈耶在实验上确认了一种新粒子，其质量是电子质量的207倍，这就是后来被称为μ子的粒子。μ子是不稳定的粒子，它衰变成电子、一个中微子和一个反中微子，平均寿命为2×10-6秒，自旋为媡/2。

汤川最初提出的介子的电荷是正的或负的。1938年，N.J.凯默基于实验上发现的核力的电荷无关性的事实，发展了稍早些时候出现的同位旋的概念，建立了核力的SS(2)对称性理论。这个理论有两个重要的结果，一是除了带正负电的介子之外，还应当有不带电的中性介子，三种介子的质量应当相同；二是强相互作用的粒子可按同位旋分成一组组的多重态。

1947年，M.孔韦尔西等人用计数器统计方法发现μ子并没有强作用，直接的证明是1948年由张文裕用云室研究 μ子同金属箔直接相互作用得到的。1947年C.F.鲍威尔等人在宇宙线中利用核乳胶的方法发现了真正具有强相互作用的介子，其后，在加速上也证实了这种介子的存在。它们的质量约是电子质量的270倍，带有正电荷或负电荷，被称为π±介子。1950年发现了不带电的π0介子。μ子后来则和电子以及中微子归于一类，被统称作轻子。

从此以后人类认识到的基本粒子的数目越来越多。就在1947年，G.罗彻斯特和C.巴特勒在宇宙线实验中发现了V粒子(即K介子)，这就是后来被称为奇异粒子的一系列新粒子发现的开始。由于它们独特的性质，一种新的量子数──奇异数的概念被引进到粒子物理中。在这些奇异粒子中，有质量比质子轻的奇异介子K±、K0和；有质量比质子重的各种超子，包括Λ0、Σ±、Σ0、Ξ0和Ξ-等。这些新发现的粒子，都是不稳定的粒子，除h0介子外(它的寿命是10-16秒)，它们的平均寿命都在10-6～10-10秒之间，所以在地球上的通常条件下，它们并不存在，在当时的情况下，只有借助从太空飞来的高能量宇宙线才能产生。

这些发现了的基本粒子，加上理论上预言其存在，但尚未得到实验证实的引力场量子──引力子，按相互作用的性质，可分成引力子、光子、轻子和强子四类（表2）。

为了克服宇宙线流强太弱这个限制，从50年代初开始建造能量越来越高、流强越来越大的粒子加速。实验上也相继出现了新的强有力的探测手段如大型气泡室、火花室、多丝正比室等，开始了新粒子的大发现时期。到了60年代头几年，实验上观察到的基本粒子的数目已经增加到比当年元素周期表出现时发现的化学元素的数目还要多，而且发现的势头还有增无已。1961年，由M.盖耳－曼及Y.奈曼提出的，用强相互作用的SU(3)对称性来对强子进行分类的“八重法”。八重法分类不但给出了当时已经发现的强子在其中的位置，还准确地预言了一些新的粒子，如1964年用气泡室实验发现的 Ω-粒子。八重法很好地说明粒子的自旋、宇称、电荷、奇异数以及质量等静态性质的规律性。

在此阶段中，证实了不单电子，所有的粒子，都有它的反粒子（有的粒子的反粒子就是它自身，如h0、η等）。其中第一个带电的反超子廟-是由中国的王淦昌等在1959年发现的。此外，还发现了为数众多的寿命极短，经强作用衰变的粒子──共振态。

基本粒子大量发现，使人们怀疑这些基本粒子的基本性。基本粒子的概念，面临一个突变。这就是这个阶段终了时粒子物理在实验上的状况。

这个阶段理论上最重要的进展是量子场论和重正化理论的建立，以及相互作用中对称性质的研究。

上一阶段对微观世界理性认识的最大进展是量子力学的建立。经过一代物理学家的努力，量子力学能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收及辐射等等现象，特别是当它同狭义相对论结合而建立相对论性量子力学以后，它已经成为微观世界在原子、分子层次上的一个基本理论。但是，量子力学还有以下几个方面的不足：

（1）它不能反映场的粒子性；

（2）它不能描述粒子的产生和湮没的过程；

（3）它有负能量的解，这导致物理概念上的困难。量子场论是由P.A.M.狄喇克、E.P.约旦、E.P.维格纳、W.K.海森伯和泡利等人在相对论量子力学的基础上，通过场的量子化的途径发展出来的，它很好地解决了这三个问题。

在量子场论领域中最早发展起来的是量子电动力学，它是把电磁场（光子场）和电子场都加以量子化，从而描述电子和光子的各种现象的一种理论。40年代里，人们对这个理论中的发散困难作了深入的分析。由于J.S.施温格、朝永振一郎、R.P.费因曼和F.J.戴森等人的努力，在解决这个问题上有了突破性的进展。他们发现，如果重新定义理论中的质量和电荷，使之同实验的观测值相应，则量子电动力学中的无穷大结果不再出现。这种消除无穷大结果的方法，叫做重正化理论。它不但在原则上解决了量子电动力学中出现的发散困难，还提出了一整套按电子电荷的幂次展开的，直观的，用图形表示的逐级近似（微扰近似）的计算方法──费因曼图方法，使量子电动力学的计算有了简单可靠的、具有相对论协变性质的基础。P.库什和H.M.福里1947年发现的电子反常磁矩，和由W.E.兰姆等发现的氢原子的22S1/2和22P1/2能级的分裂，只有通过量子电动力学的重正化理论才能得到正确的解释(见 μ子和电子回磁比?屠寄芬莆?)。今天，量子电动力学已经经受了许多实验上的验证，成为电磁相互作用的基本理论。

50年代初证明了重正化的方法，也适用于强相互作用的汤川理论。但这无助于使汤川理论成为强相互作用的基本理论，因为按强作用耦合常数的幂次展开级数是不收敛的，对于弱相互作用理论则更困难。1934年由E.费密提出的弱作用理论中，虽然耦合常数小，可以作微扰展开，而且在最低阶的计算得到很好的结果，但是，在高阶修正时出现的无穷大结果不能用重新定义质量和耦合常数的方法来消除，所以它是不可重正化的。

1954年，盖耳—曼，M.L.戈德伯格和W.梯令提出强相互作用的色散关系理论。在50年代直到60年代初它有很大的发展，在强作用过程的现象分析方面，也曾得到一些好的结果，但经过十多年的研究，终于肯定色散关系不可能是强作用的基本理论，主要原因是它只包含对散射振幅的普遍要求，而缺乏强相互作用独有的特殊性的东西。因而它只能是一种唯象分析手段。

沿着这个方向发展的还有雷其极点理论等。它们在缺乏严格证明的情况下被推广于强作用的散射理论。所得到的最重要的结果是：

（1）基本粒子的自旋和质量有明显的规律性；

（2）随着入射能量增加，二体散射截面在小角度处的变化具有特定的模式。由于这些理论的出发点和缺点与色散关系大致相同，故它们的成就和存在的问题就同色散关系大致相仿。

在当时，理论上另一重大的进展是相互作用中的对称性的研究（对称性和守恒律）。如果量子场系统在一种对称变换下保持不变，则将对应着一种守恒量，例如在时空平移下不变，对应的守恒量就是能量和动量。在50年代初期，普遍认为在各种相互作用中，都有着空间反射变换p、电荷共轭变换C和时间反演变换T的不变性，与此相对应，宇称和C 宇称应该是守恒的。不过，这种观点，除了1955年由泡利在很一般的前提下，从理论上证明了CPT联合变换下量子场论的不变性以外，其他是没有从实验上或理论上被严格证明过的。

1955年，经过周密地对奇异粒子θ介子和θ介子的实验分析发现了θ-θ之谜。1956年，李政道和杨振宁了解到，在弱作用中宇称守恒事实上并没有得到过实验上的证实。他们提出，在弱作用中宇称是不守恒的，也不存在θ-θ之谜。1957年，吴健雄小组在极化原子核60Co的 β衰变的实验中，证实了宇称不守恒。随后不久，宇称不守恒在其他的弱作用过程的实验中也得到了证实。这些实验同时也证实了在弱作用中C 宇称的不守恒。

1964年，J.W.克洛宁等人在长寿命K介子的衰变实验中，发现有2π终态的衰变，从而实验又证实了尽管单独的空间反射p和单独的电荷共轭变换C的不变性在弱作用中受到破坏，但是它们的联合变换Cp的不变性也遭到破坏。随后认识到，这个实验事实上也证实了在弱作用中时间反演变换的不变性的破坏。

在弱作用中，与宇称不守恒的程度很大相反，Cp不守恒的程度是极为微弱的，其根本原因至今尚没有足够的了解。

发现大量新粒子，从而使基本粒子的基本性受到猛烈的冲击；确立了各种对称性在弱作用中的破坏和成功地提出了强子分类的SU(3)对称性;确定了量子电动力学作为微观领域中电磁相互作用的基本理论，但强作用和弱作用尚缺乏基本的理论，这就是在这个阶段终了时粒子物理学发展的概况。

第三阶段(1964～ )

这个阶段的开始以提出强子由夸克组成的假说为标志（见强子结构）。

并非所有的基本粒子都是"基本"的想法，最早是在1949年由费密和杨振宁提出的。他们认为，π介子不是基本的，基本的是核子，而π介子只是由核子和反核子构成的结合态。1955年，坂田昌一扩充了费密和杨振宁的模型提出了强子是由核子、Λ 超子和它们的反粒子构成的SU(3)模型。坂田的模型可以解释介子的分类，但解释重子的分类有着很大的困难。

1961年，在实验上发现了不少共振态。1964年，已发现的基本粒子（包括共振态）的种类增加到上百种，因而使得盖耳－曼和G.兹韦克提出，产生SU(3)对称性的基础就是构成所有强子的构造单元，它们一共有三种，并命名为夸克(quark)。

60年代以来，在宇宙线中、加速上以及在岩石中，都进行了对夸克的实验找寻，但迄今还没有被确证为成功的报道。由于大量的实验没有找到自由夸克，目前理论上流行的看法是需要作无穷大的功才能把两个夸克完全分开。从而夸克不能以自由的状态出现，这种性质，叫做夸克囚禁。不过这仅仅是在实验上及理论上尚未得到完全证实的假说。

在60年代和70年代，有更多的能量更高、性能更好的加速建成。虽然在这些加速上没有找到夸克。但却得到了间接的，但是更有力地说明夸克存在的证据。

强子具有内部结构的迹象，最早是在60年代中由电子在核子上的散射显示出来的。1969年开始用高能量的电子作为探针来研究质子的内部结构，发现质子内部有着几乎是自由的点状的结构。类似的实验后来也在中子上进行，得到了相同的结论。后来又用高能量的中微子作为探针来研究质子和中子结构。根据对散射截面的分析，也可以得到核子里存在近似自由的、质量不大的点状物的结论（见深度非d性散射）。

这些点状结构，可以认为是夸克存在的证据。它们的电荷，可以由正负电子湮没为强子的总截面加以验证。由正负电子湮没为强子的过程，同正负电子湮没成一对μ+μ- 子的过程相仿，从理论上知道，在高能下，这两个过程的总截面 σ（e+e-→强子）和 σ（e+e-→μ+μ-）的比值R和夸克的电荷ei有关：，i标志夸克的类型。70年代初的 r实验值和理论上的夸克电荷值基本上能满足这个关系式，从而给予了夸克模型以很大的支持。

最初，在盖耳—曼等提出的假设中，夸克只有u、d、s三种，由此可以得到当时及其后发现的所有粒子的一个令人满意的分类。1974年，丁肇中及B.里希特等分别在质子加速和正负电子对撞机的实验中发现了一种新粒子J（或称作ψ）;它的质量很大，而寿命却比大部分共振态小一万倍，这必须解释为它是由一个新的夸克c和它的反粒子婔所构成。这种新的夸克c又称粲夸克，具有一种新的量子数──粲数C，它的电荷是。这第四种夸克及粲数的存在，不久便因一系列的新粒子ψ′、ψ″、D、F、ηc 等的发现而得到进一步的证实。同时，在更高能量的实验中，上面提到的r值也增加了，这也说明了在足够高的能量下第四种夸克开始对R作出贡献。

1977年，L.M.莱德曼等发现了另外一个独特的新粒子墝，它的性质也只能以它是由另一种新的夸克b及其反粒子姼所构成来解释。这第五种夸克的存在，近年由新粒子墝'、墝″等的发现而得到更多的证据。现在称第五种夸克b为底夸克，它的电荷是，带有一种新的量子数──底数B。在目前能够达到的最高能量的实验中，r值的进一步增加，说明b夸克也开始对r值作出贡献。

与强子的数目急剧增加的情况相反，自从1962年利用大型火花室，在实验上证实了两类中微子分成Ⅴe和Ⅴμ之后，长时间内已知的轻子就只有四种：(e，Ⅴe)和(μ，Ⅴμ)，但是到了1975年情况有了改变，这一年M.佩尔等在e+e-对撞实验中发现了一个新的轻子θ，它带正电或带负电，衰变成μ子或电子和两个中微子，它的质量很大，达质子的两倍，所以又叫重轻子。与它相应，普遍相信应有另一种中微子Ⅴτ存在，但是尚未得到实验上的证实。

至今尚未发现轻子有内部结构的实验证据。μ子在各个方面都同电子相同，相差只在于质量，这是一个一直使物理学家困惑的问题──所谓代的问题。θ 的发现使轻子增加到三代：(e，Ⅴe)，(μ，Ⅴμ)，(θ， Ⅴτ)。构成不同代的轻子的原因是目前粒子物理研究的中心课题之一。一种尝试是把轻子和夸克放在同一层次上考虑（表5、表6），并考虑它们是复合粒子，是由更深一层次的粒子统一地构成的。也许由于实验上的证据不足，这种考虑目前尚缺乏可靠的基础。但不少物理学家对中微子Ⅴτ的存在并不怀疑，这种对称性强烈地意味着一种新的夸克──第6种夸克t──的存在，它应当带有的电荷和一种新的量子数──顶数T。目前在实验上已得到第6种夸克存在的迹象。

夸克理论提出不久， 就有人认识到强子的强相互作用和弱相互作用的研究应建立在夸克的基础上，同时还要充分考虑强子的结构特性和各种过程中的运动学特点，才能正确地解释强子的寿命、宽度、形状因子、截面等动态性质。1965年，中国发展的强子结构的层子模型，就是这个方向的首批研究之一。层子的命名，是为了强调物质结构的无限层次而作出的。在比强子更深一层次上的层子，就是夸克。近20年来，粒子物理实验和理论发展的主流，一直沿着这个方向，在弱作用方面，已有了突破性的进展，在强作用方面，也有重大的进展（见强子结构）。

最早的弱相互作用理论，是费密为了解释中子衰变现象在1934年提出来的。弱作用宇称不守恒的发现，给弱作用理论的研究带来很大的动力。随后不久便确立了描述弱作用的流在洛伦兹变换下应当具有V-A的形式（V是矢量流，A是轴矢量流），而且适用于所有的弱作用过程，被称为普适费密型弱相互作用理论。

尽管在最低阶的微扰论计算中，普适费密型弱相互作用理论可以给出同实验相符合的结果，然而高阶的计算中出现的无穷大，却无法用重正化的方法消除，这是费密弱作用理论的根本困难。

1961年，S.L.格拉肖提出电磁相互作用和弱相互作用的统一理论。这个理论的基础，是杨振宁和R.L.密耳斯在1954年提出的非阿贝耳规范场论。格拉肖提出，电磁相互作用和弱相互作用，具有一种特殊的对称性──SU(2)×U(1)对称性。其中U(1)对称性是电磁相互作用所具有的，它的阿贝耳规范场粒子──光子是传递电磁作用的粒子，这是已为人们了解的；而SU(2)对称性则是格拉肖提出的，弱相互作用应具有的对称性，按照杨振宁和密耳斯的理论，它的非阿贝耳规范场粒子有三种：W+、W-和Z0，格拉肖认为它们是传递弱作用的粒子。在这个理论中，两种相互作用是统一的，两种耦合常数有着确定的关系。但是在这个理论里，W±和Z0粒子是否具有静止质量、理论上如何重正化等问题，没有得到解答。

1967～1968年，在SU(2)×U(1)定域对称性的自发破缺的基础上，S.温伯格、A.萨拉姆阐明了作为规范场粒子的W±，Z0是可以有静止质量的，还算出这些静止质量同弱作用耦合常数以及电磁作用耦合常数的关系。这个理论中很重要的一点是预言弱中性流的存在，而当时实验上并没有观察到弱中性流的现象。由于没有实验的支持，所以当时这个模型并未引起人们的重视。1973年，美国费密实验室和欧洲核子中心在实验上相继发现了弱中性流，之后，人们才开始对此模型重视起来。在1983年，С.鲁比亚实验组等在 540GeV 的高能质子—反质子对撞的实验中发现的W±和Z0规范粒子，质量(mw≈80GeV，mZ≈90GeV)及特性同理论上期待的完全相符，这给予电弱统一理论以极大的支持，从而使它有可能成为弱相互作用的基本理论，当然，这还有待于实验上对一系列的干涉现象的检验和对黑格斯粒子（见黑格斯机制）的发现和性质的澄清。

60年代初，SU(3)对称性在强子分类上取得了成功，在此基础上产生了强作用的流代数理论。这个理论把强作用的对称性和色散关系理论所沿用的解析性讨论结合起来，给出了量子场论中出现的强子流算符所满足的代数关系，并由此得到了一些耦合常数之间、各种过程之间的关系及反常磁矩等物理量，虽然这些结果与实验符合，但流代数并没有给强作用的研究带来突破性的进展。

到了60年代末、70年代初，高能散射实验显示出强子的两个最显著的特征：

（1）强子内部点状结构的存在；

（2）这些点状结构在很小的尺度中相互作用很微弱，有如自由粒子（渐近自由现象）。这些特征使人们认识到，研究强相互作用理论必须把内部结构考虑在内。

1973年，由于非阿贝耳定域规范场理论的进展，G.霍夫特、D.J.格罗斯等人发展了强相互作用的量子色动力学理论。与量子电动力学一样，量子色动力学也是一种定域规范理论（表6）。在这个理论中，严格的对称性是SU(3)对称性，夸克之间的强相互作用则是由于交换胶子而产生的。胶子是SU(3)定域规范粒子，而且同光子一样，它并没有静止质量，但是由于光子没有电荷，而胶子却带有电荷，所以电磁相互作用没有渐近自由性质，而强相互作用却具有着渐近自由的性质。

在小距离范围(揥10-14cm)中，由于强作用耦合常数很微小，量子色动力学是可以做微扰论展开的。尽管目前对夸克、胶子的囚禁性质尚未弄清，不得不引进诸如复合、碎裂等唯象概念，但也能较好地解释一些高能实验结果，包括r值随能量的变化。轻子—胶子深度非d性散射的结构函数对标度无关性的偏离，高能下的喷注现象等。但在大距离范围中(＞10-14cm)，量子色动力学除了不能用微扰论展开的困难外，还另有一些根本性问题，这些都有待解决及澄清。

粒子物理的前景

目前，粒子物理已经深入到比强子更深一层次的物质的性质的研究。更高能量加速(1TeV，即 1012eV的质子加速及2×100GeV的正负电子对撞机)的建造，无疑将为粒子物理实验研究提供更有力的手段，有利于产生更多的新粒子，以弄清夸克的种类和轻子的种类，它们的性质，以及它们的可能的内部结构。

弱电相互作用统一理论目前取得的成功，特别是弱规范粒子W+、W-和Z0的发现，加强了人们对定域规范场理论作为相互作用的基本理论的信念，也为今后以高能轻子作为探针探讨强子的内部结构、夸克及胶子的性质以及强作用的性质提供了可靠的分析手段。但黑格斯粒子是否存在的问题尚有待于继续澄清。

夸克之间强相互作用的一些根本性的重大问题，如囚禁、碎裂等，目前还没有解决，在今后一个时期，强相互作用将是粒子物理研究的一个重点。

把电磁作用、弱作用和强作用统一起来的大统一理论，近年来引起相当大的注意。但即使在最简单的模型中，也包含近20个无量纲的参数。这表明这种理论还包含着大量的现象性的成分，只是一个十分初步的尝试。它还要走相当长的一段路，才能成为一个有效的理论。

另外，从发展趋势来看粒子物理学的进展肯定会在宇宙演化的研究中起推进作用，这个方面的研究也将会是一个十分活跃的领域。

很重要的是，物理学是一门以实验为基础的科学，粒子物理学也不例外。因此，新的粒子加速原理和新的探测手段的出现，将是意义深远的。