粒子物理

现代粒子物理的发展及现状

摘要

六十年代初，实验发现的基本粒子的数目已达到近百种。而且显然，随着加速器能量的提高，还会有大量的新粒子会被发现出来。原来人们期望基本粒子的研究会给物质世界描绘出一幅很简明的图象。结果却相反，基本粒子的种类竟然比化学元素的种类还多!这使人们意识到，这些粒子并不是物质世界的极终本原。基本粒子对它们不是一个合适的名称。于是人们去掉"基本"二字，而把它们简称为粒子。相应的研究领域也改称为粒子物理。

关键词：粒子物理；场论；夸克；轻子；加速器

一、什么是粒子物理？

为什么世界上不同的物质具有相同的特征？因为我们周围的各种物质都是由几个自然界的积木或基本的砖块(building block)构成。远古时代认为，世界是由“水、火、土、气”组成。今天人们知道“水、火、土、气”其实是由“原子”组成的。1900年前后，人们认为“原子”是可穿透的球，内部有电荷在跳动。人们很快发现：可根据其化学性质把“原子”分类——元素周期表，这表明“原子”有内部结构，是由更小的砖块组成的。实验表明“原子”是由带正电的、重而小的“原子核”和围绕它的带负电的“电子云”组成。“原子核”很小、很重、密度很大，曾被认为是基本粒子。后来发现“原子核”其实是由带正电的“质子”和不带电的“中子”组成。随后人们发现“质子”和“中子”并不基本，是由更小的粒子——“夸克”组成。到目前为止，“夸克”没有发现其内部结构，是“基本”的粒子！从而，研究最基本物质构成的学科形成——粒子物理。粒子物理（又称高能物理学）研究构成物质的各种基本粒子，以及它们之间如何进行相互作用。粒子物理代表着目前人类对物质微观结构乃至整个宇宙演化的最深刻认识。它的主导理论——“标准模型”（The Standard Model）：目前有一个非常简洁的理论来描述基本粒子，以及基本粒子间的相互作用。该理论告诉我们，基本粒子共分为两个家族：夸克和轻子，电子即属于“轻子”家族。每个家族都包含6种粒子，并分为3代，3代粒子的质量依次递增。基本粒子间有四种不同的作用力，它们由载力粒子传递，从而导致基本粒子间的相互作用。正如群居的大象，夸克也群居，从不单独存在，它们群居所形成的复合粒子叫“强子”。虽然夸克带有分数电荷，但强子的电荷是整数。强子有两类——中子与介子。标准模型令人难以置信的精确，所有用它预测的粒子都已被实验发现，很多是在1960和1970年用高能加速器才发现的。现在已发现了约两百个粒子。为记录它们，以希腊和罗马符号命名之。还有另一类区别于夸克的基本粒子——轻子。夸克总是群居而以束缚态形式存在；轻子则单个存在。带电轻子象猫科动物，易看到；不带电轻子（中微子）则象附着在这些动物身上的跳蚤。夸克种类繁多，于是我们根据他们的特性给他们分了各类——代。一代的夸克有u夸克与d夸克，二代的有粲夸克与奇异夸克，三代夸克有底夸克与顶夸克。

二、四种基本作用力

宇宙因基本粒子相互作用而存在，这些作用包括吸引与排斥、衰变和湮灭。任何能想到的力——摩擦力、磁力、原子核衰变等等，均由四个基本作用力之一引起。物质勿需接触就发生相互作用：如太阳吸引地球、两磁铁的吸引或排斥。当一个基本粒子衰变时，它变成较轻的粒子和载力粒子，这些载力粒子能随后变成别的粒子。基本粒子间有四种不同的作用力，它们由载力粒子传递，从而导致基本粒子间的相互作用。一个特定的载力粒子只能被特定力所影响的物质粒子吸收或放出。例如，电子和质子有电荷，所以它们能放出或吸收电磁载力者光子；中微子没有电荷，所以它们无法吸收或放出光子，即无法进行电磁作用。

1. 电磁作用力Electromagnetic Force

电磁力是主导我们日常生活的两个基本力之一。电磁力引起同种电荷相排斥、异种电荷相吸引，日常生活中的很多力如摩擦、磁力都是由电磁力引起。电磁力发生在所有带电的粒子之间，它随距离的增加而变弱，但其作用距离是无限远的。电磁力的载力粒子是光子。光子没有静止质量，以光速传播。不同能量的光子形成电磁波谱，如X射线、可见光和无线电波。电磁力还有一个作用就是将原子束缚在一起形成分子。原子含有相同数目的质子和电子，是电中性的，它们如何形成分子呢？一个原子内部的正电荷（质子）会吸引另一个原子内部的负电荷（电子），将两个原子束缚在一起，从而使不同的原子结合成为分子。这种原子间的电磁力称为“残余电磁力residual electromagnetic force”。所以，正是“电子”和“质子”带有异号的电荷使得我们的世界得以形成！量子电动力学（Quantum electrodynamics, QED）是研究电磁作用力的基本物理理论。

2. 强作用力Strong Force

原子核由质子和中子组成，质子带正电而相互排斥，中子不带电，为什么它们不因排斥而散开？夸克带有电荷，还带有色荷colour charge。带色粒子间的作用力非常强，使夸克形成强子，因此称为强作用力。强作用力的携带粒子叫胶子（强作用象胶一样把夸克粘在一起）。所有夸克和胶子都具有色荷。强作用与电磁作用不同，胶子本身带有色荷，而光子本身不带电荷；夸克带色荷，但它们组成的强子不带色荷，是色中性的。组成原子核的核子（质子和中子）都是色中性的，但和电磁力类似，它们之间有“残余的强力”，这种作用远远超过质子之间的电磁斥力，使得核子间相互吸引，原子核由此而形成。

3. 弱作用力Weak Force

虽然有6种夸克和6种轻子，但我们周围除3种中微子单独存在外，所有物质都是由最轻的2种夸克(u,d)和1种最轻的带电轻子（电子）组成，较重的夸克和带电轻子呢？较重的夸克(s,c,b,t)和带电轻子(μ, τ)在宇宙形成初期就衰变掉了，成为最轻的夸克和轻子。这些衰变都是通过弱作用进行的。弱作用力主要发生在重夸克和重轻子的衰变过程。夸克或轻子经衰变而改变种类，叫作改变味道。弱作用力的携带粒子是W+、W-、和Z0 粒子，W 粒子带电而Z0 是电中性的。最早的弱相互作用理论，是费米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，适用于所有弱作用过程的普适费米型弱相互作用理论。电磁作用和弱作用的统一：标准模型把弱作用和电磁作用统一到了一个理论框架中，称为电弱理论。在非常小尺度(10-18米）或非常大能标(100 GeV)情况下，弱作用强度和电磁作用强度在同一水平。随尺度增加或能标降低，弱作用将远远弱于电磁作用。距离增为30倍(3x10-17米)，弱作用力的强