ZT: 粒子物理学

夏凉

　　研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质，和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支。又称高能物理学。
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　　在实验上把已经发现的粒子分为两大类。一类是不参与强相互作用的离子，统称为轻子。另一类是参与强相互作用的粒子统称为强子。已经发现的数百种粒子中绝大部分是强子。实验发现，强子也具有内部结构。强子内部带点电荷的东西在外国称为夸克，中国的部分物理学家称之为层子。因为他们认为：即使层子也不是物质的始元，也只不过是物质结构无穷层次中的一个层次而已。

: [% L) k7 m8 F, L) z, g　　虽然层子在强子内部可以相当自由地运动，但即使用目前加速器所能产生的能量最高的粒子束轰击强子，也没有能将层子打出来，使它们成为处于自由状态的层子。将层子囚禁在强子内部是强相互作用所独有的性质，这种性质称为“囚禁”。

* J) @' y' U  G7 e- t　　弱相互作用也有其独特的性质。它的基本规律对于左和右，正、反粒子，过去和未来都是不对称的。弱相互作用的不对称就是李政道和杨振宁在1956年所预言，不久在实验上为吴健雄所证实的宇称在弱相互作用中的不守恒。

　　在量子场论中，各种粒子均用相应的量子场来反映。空间、时间中每一点的量子场均以算符来表示，称为场算符。这些场算符满足一定的微分方程和对应关系或反对应关系。量子场的确既能反映披粒二象性，又能反映粒子的产生和消灭，还能自然地反映正、反粒子配成对的现象。
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  i+ k( _  T' n) I* j) z　　对称性在物理学中占有很重要的地位。可以证明，假使物理基本规律具有某种对称性，与之相应就有某种守恒定律。例如：假使物理基本规律在任何时间都一样，与之相应就有能量守恒定律：假使物理基本规律对于相变换具有不变性，与之相应就有电荷守恒定律。
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　　假使物理规律的某种对称性是定域的，那么与之相应一定存在某种基本相互作用。目前已经通过实验严格检验的广义相对论、量子电动力学和电弱统一理论都来源于定域对称性。也就是说：万有引力相互作用、电磁相互作用和弱相互作用都来源于定域对称性。

; {; ]5 h: g, z4 m　　其发展大致经历3个阶段。

# K  I6 h; v4 P! {8 Q# u% H8 }　　第一阶段（1897～1937）
可追溯到1897年发现第一个基本粒子电子。1932 年 J.查德威克在用a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，从而形成所有物质都是由基本的结构单元——质子、中子、电子构成的统一的世界图像。质子、中子、电子和A.爱因斯坦提出并被 R.A.密立根和 A.H. 康普顿等人实验证实的光子、W.泡利假设存在的中微子（1956年最终被实验证实）以及P.A.M.狄拉克预言并被 C.D.安德森 1932 年在宇宙线中观察到的正电子都被认为是基本粒子或亚原子粒子。
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　　在此阶段，理论上建立了量子力学，这是微观粒子运动普遍遵从的基本规律。在相对论量子力学的基础上，通过场的量子化初步建立量子场论，很好地解决了场的粒子性和描述粒子的产生、湮没等问题。随着原子核物理的发展，发现在相当于原子核大小的范围内除了引力相互作用电磁相互作用之外，还存在比电磁作用更强的强相互作用和介于电磁作用和引力作用之间的弱相互作用，前者是核子结合成核的核力，后者引起原子核的β衰变。对于核力的研究认识到核力是通过交换介子而产生的，并根据核力的电荷无关性建立起同位旋概念。
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　　第二阶段（1937～1964）

& d" V  A/ @) T5 Z' K先后陆续发现了众多的粒子。1937年从宇宙线中发现μ子，后来证实它不参与强作用，它和与之相伴的μ中微子同电子及与之相伴的电子中微子可归入一类，统称为轻子。1947年发现π±介子， 1950年发现π0介子， 1947 年还发现奇异粒子。50年代粒子加速器和各种粒子探测器有了很大发展，从而开始了用加速器研究并大量发现基本粒子的新时期，各种粒子的反粒子被证实；发现了为数不少的寿命极短的共振态。基本粒子的大量发现，其中大部分是强子，人们怀疑这些基本粒子的基本性。人们尝试将强子进行分类，提出颇为成功的强子分类的“八重法”。
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　　这一阶段理论上最重要的进展是重正化理论的建立和相互作用中对称性的研究。关于描述电磁场量子化的量子电动力学，通过重正化方法消除了发散困难，对于电子和μ子反常磁矩以及兰姆移位的理论计算与实验结果精确符合。量子电动力学经受众多实验检验，成为描述电磁相互作用的成功的基本理论。对称性与守恒定律联系在一起，关于相互作用中对称性的研究，最为重要的结果是1956年李政道、杨振宁提出弱作用下宇称不守恒，1957年被吴健雄等人的实验及其他实验证实，这些实验同时也证实了在弱作用下电荷共轭宇称不守恒。这些研究推动弱作用理论的进展。
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　　第三阶段（1964～）以提出强子结构的夸克模型为标志。1964 年 M.盖耳曼和 G.兹韦克在强子分类八重法的基础上分别提出强子由夸克构成，夸克共有上夸克u、下夸克d和奇异夸克s三种，它们的电荷、重子数为分数。夸克模型可以说明当时已发现的各种强子。夸克模型得到后来进行的高能电子、高能中微子对质子和中子的深度非弹性散射实验的支持，实验显示出质子和中子内部存在点状结构，这些点状结构可以认为是夸克存在的证据。1974年发现J／ψ粒子，其独特性质必须引入一种新的粲夸克c ，1979年发现另外一种独特的新粒子Υ，必须引入第5种夸克，称为底夸克b。另一方面，1975年发现重轻子τ，并有迹象表明存在与τ相伴的τ中微子，于是轻子共有6种。迄今的实验尚未发现轻子有内部结构。人们相信轻子是与夸克属于同一层次的粒子。轻子与夸克的对称性意味着存在第6种顶夸克t 。 1994年4月26日，美国费米国家实验室宣布已找到顶夸克存在的证据。

　　这一阶段理论上最重要的进展是建立电弱统一理论和强相互作用研究的进展
! j2 H! N8 N1 H- N3 I# o4 I1 ~& m。 1961 年S.L.格拉肖提出电磁作用和弱作用的统一模型，其基础是杨振宁和 R.L.密耳斯于1954年提出的非阿贝耳规范理论。按照这一模型，光子是传递电磁作用的粒子，传递弱作用的粒子是W±和Z0 粒子，但是W±、Z0是否具有静质量，理论上如何重正化问题没有解决。1967～1968年在对称性自发破缺的基础上， S.温伯格、A.萨拉姆发展了格拉肖的电弱统一模型，建立了电弱统一的完善理论，阐明了规范场粒子W±、Z0是可以有静质量的，理论预言它们的质量在80～100吉电子伏特（ GeV ），此外还预言存在弱中性流。1973年观察到弱中性流，1983 年发现W± 、 Z0粒子，其质量（mW≈80GeV，mZ≈90GeV ）及特性同理论上期待的完全相符。关于强作用的研究，1973年 G.霍夫特 、D.J.格罗斯等人发展了量子色动力学理论。量子色动力学与量子电动力学一样，也是一种定域规范理论。在这个理论中，夸克之间的强相互作用是由于夸克具有色荷交换色胶子而产生的，胶子没有静质量，但带有色荷。强相互作用具有渐近自由的性质，即夸克之间的强相互作用并不是随着它们的距离增大而减弱，而是相反；当它们相距很近而处于强子内部时，相互作用很弱，可近似地看成是自由的，从而能够说明夸克、胶子的禁闭性质、轻子对强子深度非弹性散射的异常现象以及喷注现象等。
　　
      在粒子物理学的深层次探索活动中，粒子加速器、探测手段、数据记录和处理以及计算技术的应用不断发展，既带来粒子物理本身的进展，也促进整个科学技术的发展；粒子物理所取得的丰硕成果已经在宇宙演化的研究中起着重要的作用.

Po

看了关于色荷(Color Charge)的解释，觉得这个名字误导。