粒子物理

粒子物理學

particle physics

研究比原子核更深層次的微觀世界中物質的結構、性質，和在很高能量下這些物質相互轉化及其產生原因和規律的物理學分支。又稱高能物理學。其發展大致經歷3個階段。

（1897～1937）可追溯到1897年發現第一個基本粒子電子。1932 年 J.查德威克在用a粒子轟擊核的實驗中發現了中子，隨即人們認識到原子核是由質子和中子構成的，從而形成所有物質都是由基本的結構單元——質子、中子、電子構成的統一的世界圖像。質子、中子、電子和阿爾伯特·愛因斯坦提出並被 R.A.密立根和 A.H. 康普頓等人實驗證實的光子、W.泡利假設存在的中微子（1956年最終被實驗證實）以及P.A.M.狄拉克預言並被 C.D.安德森 1932 年在宇宙線中觀察到的正電子都被認為是基本粒子或亞原子粒子。

在此階段，理論上建立了量子力學，這是微觀粒子運動普遍遵從的基本規律。在相對論量子力學的基礎上，通過場的量子化初步建立量子場論，很好地解決了場的粒子性和描述粒子的產生、湮沒等問題。隨著原子核物理的發展，發現在相當於原子核大小的範圍內除了引力相互作用電磁相互作用之外，還存在比電磁作用更強的強相互作用和介於電磁作用和引力作用之間的弱相互作用，前者是核子結合成核的核力，後者引起原子核的β衰變。對於核力的研究認識到核力是通過交換介子而產生的，並根據核力的電荷無關性建立起同位旋概念。

（1937～1964）先後陸續發現了眾多的粒子。1937年從宇宙線中發現μ子，後來證實它不參與強作用，它和與之相伴的μ中微子同電子及與之相伴的電子中微子可歸入一類，統稱為輕子。1947年發現π±介子， 1950年發現π0介子， 1947 年還發現奇異粒子。50年代粒子加速器和各種粒子探測器有了很大發展，從而開始了用加速器研究並大量發現基本粒子的新時期，各種粒子的反粒子被證實；發現了為數不少的壽命極短的共振態。基本粒子的大量發現，其中大部分是強子，人們懷疑這些基本粒子的基本性。人們嘗試將強子進行分類，提出頗為成功的強子分類的“八重法”。

這一階段理論上最重要的進展是重正化理論的建立和相互作用中對稱性的研究。關於描述電磁場量子化的量子電動力學，通過重正化方法消除了發散困難，對於電子和μ子反常磁矩以及蘭姆移位的理論計算與實驗結果精確符合。量子電動力學經受眾多實驗檢驗，成為描述電磁相互作用的成功的基本理論。對稱性與守恆定律聯繫在一起，關於相互作用中對稱性的研究，最為重要的結果是1956年李政道、楊振寧 提出弱作用下宇稱不守恆，1957年被吳健雄等人的實驗及其他實驗證實，這些實驗同時也證實了在弱作用下電荷共軛宇稱不守恆。這些研究推動弱作用理論的進展。

（1964～ ）以提出強子 結構的夸克模型為標誌。1964 年 M.蓋耳曼和 G.茨威格在強子分類八重法的基礎上分別提出強子由夸克構成，夸克共有上夸克u、下夸克d和奇異夸克s三種，它們的電荷、重子數為分數。夸克模型可以說明當時已發現的各種強子。夸克模型得到後來進行的高能電子、高能中微子對質子和中子的深度非彈性散射實驗的支持，實驗顯示出質子和中子內部存在點狀結構，這些點狀結構可以認為是夸克存在的證據。1974年發現J/ψ粒子，其獨特性質必須引入一種新的粲夸克c ，1979年發現另外一種獨特的新粒子Υ，必須引入第5種夸克，稱為底夸克b。另一方面，1975年發現重輕子τ，並有跡象表明存在與τ相伴的τ中微子，於是輕子共有6種。迄今的實驗尚未發現輕子有內部結構。人們相信輕子是與夸克屬於同一層次的粒子。輕子與夸克的對稱性意味著存在第6種頂夸克t。 1994年4月26日，美國費米國家實驗室宣布已找到頂夸克存在的證據。

這一階段理論上最重要的進展是建立電弱統一理論和強相互作用研究的進展。 1961 年S.L.格拉肖提出電磁作用和弱作用的統一模型，其基礎是楊振寧和 R.L.密耳斯於1954年提出的非阿貝耳規範理論。按照這一模型，光子是傳遞電磁作用的粒子，傳遞弱作用的粒子是W±和Z0 粒子，但是W±、Z0是否具有靜質量，理論上如何重正化問題沒有解決。1967～1968年在對稱性自發破缺的基礎上， S.溫伯格、A.薩拉姆發展了格拉肖的電弱統一模型，建立了電弱統一的完善理論，闡明了規範場粒子W±、Z0是可以有靜質量的，理論預言它們的質量在80～100吉電子伏特（ GeV ） ，此外還預言存在弱中性流。1973年觀察到弱中性流，1983 年發現W± 、 Z0粒子，其質量（mW≈80GeV，mZ≈90GeV ）及特性同理論上期待的完全相符。關於強作用的研究，1973年 G.霍夫特、D.J.格羅斯等人發展了量子色動力學理論。量子色動力學與量子電動力學一樣，也是一種定域規範理論。在這個理論中，夸克之間的強相互作用是由於夸克具有色荷交換色膠子而產生的，膠子沒有靜質量，但帶有色荷。強相互作用具有漸近自由的性質，即夸克之間的強相互作用並不是隨著它們的距離增大而減弱，而是相反；當它們相距很近而處於強子內部時，相互作用很弱，可近似地看成是自由的，從而能夠說明夸克、膠子的禁閉性質、輕子對強子深度非彈性散射的異常現象以及噴注現象等。

在粒子物理學的深層次探索活動中，粒子加速器、探測手段、數據記錄和處理以及計算技術的應用不斷發展，既帶來粒子物理本身的進展，也促進整個科學技術的發展；粒子物理所取得的豐碩成果已經在宇宙演化的研究中起著重要的作用。

在粒子物理學的深層次探索活動中，粒子加速器、探測手段、數據記錄和處理以及計算技術的應用不斷發展，既帶來粒子物理本身的進展，也促進整個科學技術的發展；粒子物理所取得的豐碩成果已經在宇宙演化的研究中起著重要的作用。