§19-8  对粒子的探索和研究

         早在19世纪50年代,人们在进行真空放电实验时就发现,在对着负极的真空管壁上出现了绿色的辉光。1876年戈德斯坦(E.Goldstein, 1850-1930)指出,这种绿色辉光是由阴极上所产生的某种射线引起的,故称阴极射线。直到1897年,汤姆孙(J.J.Thomson, 1856-1940)才确定,组成这种阴极射线的粒子,就是电子。电子是人类发现的第一个(基本)粒子。对粒子进行探索和研究的帷幕从此就拉开了。

         1886年戈德斯坦在研究阴极射线时,观察到另一种辐射,它穿过阴极孔并沿与阴极射线相反的方向运动。汤姆孙就把这种辐射称为正射线。后来,卢瑟福(E.Rutherford)把组成这种正射线的粒子定名为质子,并且知道了质子就是氢原子核。1919年卢瑟福用 a 粒子轰击氮核,结果产生了一个氧核和一个质子,这说明氮核中存在质子,并断定所有原子核中都存在质子。在此后的十多年中,人们一直认为电子和质子这两种带有等量异号电荷的粒子共同构成了原子核。这就是说,电子和质子是构成自然界一切物质的最基本单元。但是,这种观念不久就被另一种粒子的发现所打破。

         1930年博特(W.Bothe)和贝克尔(H.Becker)在用 a 粒子轰击铍核时,发现有一种不带电的粒子射线放出来,有人认为这种粒子是 g 光子。到1932年,查德威克(J.Chadwick)在对这种射线进行了仔细的研究之后指出,这种射线粒子不是光子,而是一种质量与质子相近的不带电的中性粒子,并把这种粒子定名为中子。

         中子发现以后,伊凡宁柯(Д .Д .Иваненко)和海森伯(W.Heisenberg)马上建立了原子核的质子-中子结构学说,这就是现在大家都知道的原子核由质子和中子构成的概念。

    质子和中子统称为核子,核子是依靠强大的核力结合成原子核的。1935年汤川秀树提出,一种质量介于质子和电子之间的粒子,称为介子是核力的场量子。他认为,核子之间通过发射或吸取介子而建立相互作用从而结合在一起,这就是在§19-3中曾经讨论过的核力的介子场理论。到1938年,安德森(C.D.Anderson)和尼德梅耶(S.Neddermeyer)在宇宙射线中发现了一种质量介于质子和电子之间的粒子,误认为是汤川秀树预言的介子,故称之为 m 介子。但发现 m 介子不参与强相互作用,所以不可能是汤川秀树所预言的那种介子。汤川预言的介子是 p 介子,直到1947年才从宇宙射线中找到。介子的最重要的涵义,已不在于质量,而在于必须参与强相互作用。m 介子被称为介子乃是历史的误会,所以,后来改称为 m 子。

         宇宙射线真是发掘粒子的宝库,很多粒子都是在研究宇宙射线时发现的。宇宙射线是来自外层空间的高能粒子流,粒子的最高能量可达1012  GeV,射线的主要成分是具有10亿电子伏特数量级能量的高速质子,当它们与高层空间的氮核或氧核相碰撞时,便会引发许多次级现象。因此研究宇宙射线就成了探索粒子、研究粒子行为和性质的富有的天地。我国早在20世纪50年代就在云南建立了宇宙射线工作站,后来又在西藏建立了高山乳胶室,是世界上最高的宇宙射线工作点之一。

         早在1932年,安德森在研究宇宙射线时最先观察到正电子,这种粒子带有与电子相同的质量、等量而异号的电荷,称为电子的反粒子。以后在宇宙射线中先后发现了m 子和 p 介子。到20世纪50年代又在宇宙射线中发现了一些具有奇特性质的粒子,它们是K介子、L 超子、S 超子、X超子、W 超子等,统称为奇异粒子。它们具有哪些特殊的性质呢?首先,这些粒子的产生过程是非常迅速和强烈的,而衰变过程却是十分缓慢的。其次,这些粒子总是成对地产生,好像受到某种性质的约束,而衰变时则可以各行其事。为描述这类粒子的奇特性质,而引入一个新的量子数,称为奇异数,并假定在强相互作用过程中奇异数守恒,而奇异数不守恒的过程只能是弱相互作用过程。

         安德森发现正电子给了人们一个重要的启示,既然电子存在反粒子,那么其他粒子是否也各有其反粒子?是的,所有粒子都应有其反粒子。粒子和它的反粒子具有相同的质量、自旋量子数和寿命,而电荷则等量异号,自旋磁矩的方向相反。1955年,塞格里(E.Segre)和钱伯林(O.Chamberlain)发现了反质子,这是在反电子之后发现的又一个反粒子。以后又相继发现了反中子、反介子和反超子等。人们不禁要问:既然存在反粒子,那么是否存在由反粒子组成的反物质?这正是需要探索的重大课题之一。

         很多粒子和反粒子的发现都应归功于高能粒子加速器。加速器是使粒子获得高能量的大型装置,由加速器获得的高能粒子与静止靶中的粒子相碰撞,从所发生的次级现象中获得新粒子的信息。第一次观测到反质子的那个加速器的能量是6 GeV,以后又建成了能量更高的加速器,利用这些加速器发现了许多新粒子。目前世界上已经建成了103 GeV级的同步加速器。为了充分利用粒子互相碰撞的有效能量,而把从加速器中获得的高能粒子束分成两束,改变运动方向,使它们相向运动并发生对头碰撞,以观测其次级现象,这种装置就是对撞机。我国已建成能量为2.8 GeV的正负电子对撞机。目前世界已建成TeV级的正负质子对撞机。近十几年来,粒子物理中的一系列重大进展几乎都是在对撞机上得到的。可以相信,今后粒子物理的最前沿的研究成果将主要在对撞机上获得。

         从20世纪50年代以后,在高能粒子加速器中发现,某些粒子除了有基态,还存在激发态,处于激发态的粒子称为共振态粒子。共振态粒子的质量比其基态粒子的大得多,寿命和自旋量子数也与基态不同。由于共振态粒子与基态粒子在粒子的基本特性上有很大差异,所以不能把它们视为同一种粒子。由于大量共振态粒子的发现,到目前为止,粒子的总数达到452种。

         人们曾经按照粒子的质量和是否参与强相互作用分类,把质量轻并且不参与强相互作用的费米子称为轻子,轻子有电子e m 子、t 子,和与它们相应的中微子ne nm nt,以及它们的反粒子。一切参与强相互作用的粒子统称为强子,强子又分为介子和重子,前者是玻色子,后者是费米子。而重子又包括核子和超子。同时,随着粒子种类的增加,标记它们特性的量子数也达到了相当复杂的程度。除了自旋量子数以外,还有同位旋量子数、重子数、轻子数、奇异数、粲数和美数等等。

         事情到了如此复杂的程度,人们首先关心的是这452种粒子是否都是基本的?在这些粒子中,是否有些是存在内部结构的,它们是否由更基本的粒子所组成?

         1964年盖尔-曼(M.Gell-Mann)和兹韦格(G.Zweig)各自独立地提出了强子的夸克模型,我国科学家也曾提出了强子的层子模型。强子的夸克模型认为,所有强子都是由夸克(quark)组成的。最初,人们根据强子特性的对称性提出三夸克模型,即认为强子是由三种(称为三味)夸克(上夸克u、下夸克d和奇异夸克s )和它们的反夸克所组成。事情并不尽然,1974年丁肇中等人发现了静止质量是质子质量3.3倍的J/y 粒子;1977年美国费米实验室的科学家们又发现了比J/y 粒子重三倍的 ¡ 粒子。这两种粒子的发现,是两味新夸克及其反夸克存在的实验证据,这两味新夸克就是粲夸克c和底夸克b。至此,人们已经发现了五味夸克,理论上还预言了第六味夸克,即顶夸克t的存在。1995年3月美国费米实验室宣布,他们的两个研究小组各自独立地发现了顶夸克存在的证据。实际上,其中一个研究小组在1994年4月就宣称他们观测到顶夸克的存在。顶夸克的发现是物理学中的重大事件。

         在已经知道的436种强子中,介子是由一对正、反夸克组成的,重子是由三个夸克组成的,反重子是由三个反夸克组成的。人们发现,在夸克组成强子时,会出现三个完全相同的夸克存在于同一个强子中的情形,作为费米子的夸克,这是违背泡利不相容原理的,除非这三个夸克处于不同的状态之中。于是人们引入了一个新的量子数——色荷,认为每一味夸克都有三种不同的“色”状态,即“红”、“绿”和“蓝”。由于强子都是无色的,所以在强子以外是不可能直接观测到夸克的色状态的。值得注意的是,夸克的“色”和“味”都是描述夸克特性和状态的量子数,不再具有它们原先字面的涵义了。

         不同的夸克是如何结合在一起组成强子的呢?回答是:胶子是传递夸克之间相互作用的媒介粒子。1979年丁肇中小组证实了胶子的存在。

         夸克具有一些奇特的性质。在任何通常条件下,都无法把夸克从它们的束缚态中摆脱出来,所有六味夸克[上夸克(u)、下夸克(d)、粲夸克(c)、奇异夸克(s)、底(美)夸克(b)和顶(真)夸克(t)]都是在它们的束缚态中发现它们的,到目前为止,所有试图产生或发现自由夸克的实验都没有成功。这就是说,夸克都被“禁闭”在它们的束缚态中,这称为“夸克禁闭”。实验发现,夸克之间越靠近时相互作用越小,这种性质称为“渐近自由”。欧洲 m 子实验合作组发现,与在自由核子内相比,在原子核内的核子中包含较多的低动量夸克,这就是EMC效应。由EMC效应,人们推测,在原子核内夸克可以在一个比在自由核子内更大的禁闭区域内活动。关于夸克在原子核内的性质目前仍知晓甚少,有待进一步探索。

         大家已经知道,传递电磁相互作用的媒介粒子是 g光子,而1983年发现的中间玻色子(W + 、W - 和Z0 )则是传递弱相互作用的媒介粒子。人们把传递基本相互作用的媒介粒子( 胶子、g 光子和中间玻色子以及引力子g )统称为规范玻色子。    

         在粒子物理发展过程中的所有实验结果,都可以用三类基本粒子(即轻子、夸克和规范玻色子)和四种基本相互作用(强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用)加以说明,这就是关于粒子物理的标准模型,它在长期的探索和研究中已逐步形成了。1990年在新加坡召开的第25届国际高能物理会议上对这个标准模型的评价是“标准模型理论令人注目地成功经受了所有实验的检验,超出标准模型理论的实验结果一个也没有找到。”从1897年汤姆孙发现了第一个(基本)粒子¾ 电子,到1995年发现了顶夸克,人们经历了一个世纪的探索,得到了粒子物理的标准模型,那么关于粒子的研究是否应该画上一个圆满的句号了?

         但是,暗物质的发现又在晴朗的天空布上了一团乌云。宇宙中存在许多螺旋状星云,它们是在万有引力作用下的旋转星系。如果观察其中质量为 Dm的一小部分,它受到来自质量为M的引力作用,而以速率v作圆周运动。于是就有

                        ,

由此得到

                            .                   (19-60)

式中rDm到星云中心的距离。根据高斯定理(由库仑定律得到的高斯定理对于万有引力也是适用的),作用于 Dm的物质质量M,就是以星云中心为球心、以r为半径的球体内星云物质的总质量。式(19-60)表示,如果星云质量比较集中于中心区域,则外部星体的运动速度应随r的增大而减小。

         实际观测的结果又是如何呢?质量分布确实是中心密,外部疏,但是v2 却几乎不随r变化。这表明,在半径为r的球体内部还存在许多未被观测到的物质,这种物质数量大,分布范围比观测到的星云的分布还要广,它们同样对 Dm有引力作用。这种不能提供任何直接的电磁作用信号但有引力效应的物质,称为暗物质。据分析,宇宙中可观测物质与暗物质的量之比在1 : 10~60,这就是说,暗物质的量至少比可观测物质大一个量级。

         暗物质是由什么粒子组成的呢?据观测和分析认为,一类暗物质的构成成分与其他星体相似,也是由质子、中子等重子所组成,但是由于它们演化到一定阶段,温度很低,因而不能输出任何可以观测的电磁信号。这类暗物质可称为重子物质的暗物质。

    另一类暗物质的构成成分是电中性的、有静止质量的、其稳定寿命长于宇宙年龄的粒子,它们不直接参与电磁相互作用,但允许其参与弱相互作用。由这种粒子组成的星体或星际物质自然不会放出或吸取电磁信号,这类暗物质可称为非重子物质的暗物质。在标准模型给出的粒子中,勉强符合这种要求的粒子只有中微子及其反粒子。说“勉强”,是因为一般认为中微子的静质量接近于零,目前测量中微子质量的实验都没有得到确切的结果。即使中微子有质量,它们也只能是那些以高速运动的暗物质的组成粒子,即热暗物质的组成粒子;而以低速运动的暗物质(即冷暗物质)的组成粒子,应该是一种质量很大的中性稳定粒子,它们不直接参与电磁相互作用,但可参与弱相互作用和引力相互作用。可以肯定,这种粒子不存在于标准模型范围之内。那么这究竟是些什么粒子呢?在长达一个世纪的时间内,人们竟然一无所知?

         回答只能是:继续探索和研究。

       
XML 地图 | Sitemap 地图