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粒子的进一步研究和发现

1、轻子的发现
我们讲述了4种粒子：电子、正电子、中微子和反中微子，他们都是轻子。它们所带的电荷分别为－1、＋l、0和0；其质量分别为l、l、0和0。它们的自旋为＋l/2或－l/2。由于它们的自旋均为半整数，因此它们都是费米子。而光子和引力子的质量为0，所带电荷也为0，但它们的自旋分别为1和2；由于它们的自旋为整数，因此它们都是玻色子。
1935年日本物理学家汤川秀树（H．Yukawa）提出介子理论，用于解释强相互作用。他认为，核子之间是通过交换一种可称为介子（meson）的粒子发生相互作用。根据核力的作用范围，可以估算出介子的静止质量约为电子的二百多倍。1936年，安德森仍在山中研究宇宙线，他注意到了一些以奇怪的方式弯曲的粒子轨迹。这种轨迹的弯曲程度比电子小，可见它的质量比电子大。但它的弯曲程度又比质子大，这表示它的质量比质子轻。此外，还有一组完全相像但方向相反的弯曲轨迹，这表示有些为粒子，有些为反粒子。结论是存在一组质量界于那些已知轻子和已知重子之间的中间质量的粒子和反粒子。测量结果表明，这种新粒子的质量为电子的207倍，约为质子或中子的l/9。安德森开始把这种新粒子称做介子（mesotron），现在我们都把安德森发现的粒子称作μ子（muon）。当时人们以为这就是汤川理论所预言的介子。但是后来又经过多年的研究，证明μ介子与原子核的相互作用很弱，不可能是汤川所预计的介子。直到1947年，英国物理学家鲍威尔（C．F．Powell）用核乳胶技术探测宇宙射线，发现另外还有一种粒子，质量为电子静止质量的273倍，被称为π介子。π介子才真正是汤川（Yukawa Hideki，1907～1981）理论所预言的粒子。
μ子是第一个在作为原子结构的组成部分、遵守守恒定律或促使亚原子相互作用等方面均无明显作用的粒子。它所带电荷为－1，与电子完全一样，而反μ子所带电荷为＋l，与正电子完全一样。事实上，μ子除了其质量和另一个特性外，其他所有方面均与电子完全相同，同样，反μ子与正电子之间的关系也类似，像所带电荷、自旋和磁场等方面都是这样。在一个原子中，负μ子甚至可以代替一个电子而生成一个短寿命μ原子。由子μ原子比电子型原子小得多，两个μ原子可以比两个电子型原子相互靠得更紧。因此，μ原子核的融合趋势比普通的电子型原子更明显。因此小原子似乎是实现聚变的一种可能途径。μ子与反μ子会相互湮没，所产生的能量是电子与反电子相互湮没时的207倍。同样，如果将形成一个电子－正电子对所需能量的207倍集中在一个极微小的区域内，那么也能形成一个μ子－反μ子对。
1975年，美国物理学家佩尔在加速器内撞击产生的碎片中探测到一种比μ子更重的像电子一样的粒子。他把这种粒子命名为τ轻子，这里的τ（tau）是希腊语中的一个字母，相当于英语字母t。人们也称它为τ子。τ子具有电子和μ子的其他所有性质。τ子是一种超重电子，它的质量是电子的3500倍，是μ子的将近17倍。它的质量几乎是质子或中子的2倍，但从它的秉性来看显然属子轻子，虽然这个名字主要还是用于那些人们熟悉的质量较小或没有质量的粒子。τ子的第二个不同在于它的不稳定性，因为它会在一万亿分之五秒内发生蜕变。在蜕变过程中，它先变为μ子，最终变为电子。如果存在τ原子的话，它们会比μ原子更小，因此也更容易融合。现在，你也许看到了这种机遇，但是这些重轻子实在太不稳定了，以至于根本不能作为聚变的实用方法。
假定一个μ子蜕变成一个电子和一个反中微子，在此过程中电荷和动量是守恒的，但是角动量并不守恒。μ子的自旋为+ l/2或－l/2。一个电子和一个反中微子加在一起，总的自旋为＋l、0或－l，具体取决子它们各自自旋的符号。两者的总自旋不可能是＋1/2或－l/2。μ子的蜕变似乎仍然违背了角动量守恒定律，而中子蜕变时情况却不是这样呢？这是因为中子蜕变时转换成3个粒子——质子、电子和反中微子——3个半整数加起来的总和当然还是半整数。而μ子的蜕变就像我们所说的那样，只产生2个粒子——电子和反中微子——而2个半整数相加的结果只能是整数，永远不可能是半整数。换句话说，根据μ子的蜕变情况，我们必须假定它也产生3个粒子——也许是1个电子和2个反中微子。在发现μ子之前，物理学家们在所有产生中微子的相互作用中观测到的结果，都是要么产生中微子要么产生反中微子。而μ子的蜕变却非常奇怪，因为它同时形成一个中微子和一个反中微子。是否有可能电子产生一种中微子，而μ子产生另一种中微子，因而分别叫做电子型中微子（及其反中做子）和μ子型中微子（及其反中微子）呢？会不会当μ子蜕变成电子时，μ子和电子各自产生一个不同的中微子，而由此造成μ子蜕变时包含2个中微子呢？这就是所谓的双中微子问题。
例如，假定一个由电子产生的中微子遇到了一个由μ子产生的中微子，如果它们在所有的方面都相同，只是呈镜象对称，那么它们应该会相互湮没，并产生一个微小的脉冲能量。如果它们除了镜象对称外，还存在任何其他方面的差别，它们就不会发生相互湮没。如果没有发生相互湮没，这些粒子会觉察到它们之间的差别，这就很好办了。中微子的寿命实在太短，两个没有反应的粒子相遇的机会几乎等于0。即使它们能相遇，产生的能量也实在太小，根本不可能被观测到。不过，还有另外一种方法可以让中微子显现它们的属性。如果电子只能产生电子型中微子，μ子只能产生μ子型中微子，而且假如相互作用可以逆转，那么电子型中微子生成的产物只应是电子，而μ子型中微子生成的产物只应是μ子。那么，如果两种中微子是完全相同的，则它们应产生相等数量的电子和μ子。
1961年，由美国物理学家莱德曼（Lalerman Leon Max，1922～）领导的一个研究小组进行了这样的实验。他们使高能质子猛撞金属铍，从而产生了大量粒子。在这些粒子中有一部分是高能μ子，它们蜕变时会产生高能μ子型中微子。然后再让这个由各种粒子组成的大混合体猛撞12米厚的钢板，除了中微子外，所有其他粒子都被钢板吸收了（中微子能穿过任何东西）。在钢板的另一侧，他们使高能μ子型中微子流进入一个装置，该装置能探测到中微子的撞击。当然，这种撞击出现的次数不会太多，不过在8个月内他们观测到了56次这样的撞击，每次撞击都产生一个μ子。通过这项实验可以看出，μ子型中微子显然不会生成电子，因此它在某个方面与电子型中微子肯定有差别。为此莱德曼获得了1988年的诺贝尔奖。
至此，物理学家发现的轻子和反轻子总共有12种，并把它们称为轻子的三种“味”。它们是：（l）电子和电子型中微子；（2）μ子和μ子型中微子；（3）τ子和τ子型中微子。同样也存在着反轻子的三种味：（1）反电子（正电子）和电子型反中微子；（2）反μ子和μ子型反中微子；（3）反τ子和τ子型反中微子。这些粒子由于不会自发蜕变成比轻子更简单的粒子，因而都是基本粒子（至少目前认为是这样）。τ子和μ子会蜕变成电子，而反τ子和反μ子则会蜕变成正电子。电子、正电子、3种中微子和3种反中微子似乎都根本不会蜕变。
2、强子结构、夸克理论与部分子模型
1932年查德威克发现中子不久，海森伯就提出核是由质子和中子构成的主张，于是中子、质子和电子被认为是物质的三种基本成分。后来人们发现质子和中子具有反常磁矩，会产生出乎意料的强磁场，唯一的解释是核子内部有结构。五十年代，用电子散射方法研究核子结构，对核子内部电荷分布和磁性分布进行了测量。与此同时，一大批强子陆续被发现，这些强子的性质与核子类似。于是促使人们进行有关强子结构与分类的研究。1949年，费米和杨振宁最早提出强子结构的模型，他们提出，所有原子核及介子都是由质子、中子和它们的反粒子组成。1955年，日本物理学家坂田昌一（1911～1970）推广了费米—杨模型，提出所有强子都是由质子、中子和超子以及它们的反粒子组成。
1961年，盖耳曼（Gell－Mann Murray，1929～）和奈曼（Ne′man Yuval，1925～）提出用SU（3）对称性对强子进行分类的“八重法”。1964年，盖耳曼据此预言的重子Ω－被实验证实，进一步促使他提出假设，即作为SU（3）群的物理基础的三重态，不仅是某种数学框架，而是三种不同的粒子。盖耳曼统称之为夸克，并且认为，夸克是自然界中更基本的物质组成单元，所有已知的强子都是由这三种夸克及其反粒子组成。由于夸克模型能够成功地解释许多已知事实，把极为复杂的事情变得非常简单，所以这一模型理论立即得到人们的普遍重视，于是掀起了一场寻找夸克的热潮。人们用海水和陨石作实验，探测宇宙射线，运用各种高能加速器，希望能找到夸克存在的证据。然而各种尝试最终都归于失败。
1967年，美国斯坦福大学直线加速器中心（SLAC）建成一座长达3千米的电子直线加速器，可使电子加速到20GeV。以费里德曼（J．I．Friedman）、肯德尔（H．W．Kendall）和泰勒（R．E．Taylor）为核心的实验小组用这台进行深度非弹性电子质子散射实验，得到了意想不到的结果。当时有一位理论家布约肯（D．Bjorken）把他们的新发现归结为所谓的无标度性（scalins）。
著名物理学家费曼提出了部分子模型，他认为SLAC的深度非弹性电子质子散射的反常结果，可以用部分子模型作出非常形象的说明。所谓部分子模型，是根据电子对核子的深度非弹性散射实验所提出，描述高能碰撞现象的强子结构模型；高能电子－核子深度非弹性散射实验，显示出在核子内部电荷的分布不是连续分布而是集中在一些点上。这表明从电荷结构来看，核子内部存在一些带电的点粒子．费曼把他未对强子内部组分的本质作出推测而假想出来的这些组分，命名为“部分子（parton）”。费曼认为，强子是由许多带电的点粒子构成，这些点粒子在高能电磁相互作用和弱相互作用过程中可以近似作为相互独立的粒子，并在一个大致是球体的空间中运动。当费曼于1968年上半年完成这些工作后，一台新的粒子加速器在加利福尼亚北部的斯坦福大学建成，它被称为斯坦福直线加速器中心（SLAC），直线加速器从靶上发射电子束与静止的质子碰撞，并从碰撞点产生粒子流形式的碎片．通过监视以这种方式产生的粒子簇射，研究者可望弄清质子内部的状况；由于电子和质子碰撞是小距离散射，而且电子可以被看作是点状粒子，所以可望通过电子被质子散射的实验来揭示质子内部的某种结构。这些实验当时正由来自麻省理工学院和SLAC的研究人员组成的联合小组承担，领头人是弗里德曼。肯德尔和泰勒。后来他们因核子深度非弹性散射而获得1990年诺贝尔物理学奖。
当时还有一位物理学家叫比约肯（James Bjorken），他在SLAC研究一种描述电子——质子碰撞现象的理论，用的是一种称为流代数的高度数学化的形式。比约肯绘出了在不同能量时有关碰撞现象的曲线。1968年8月，费曼碰巧路过SLAC，比约肯当时不在那儿，但实验人员和其他理论物理学家给费曼看了比约肯关于电子——质子碰撞所得出的结果，其中包括原始数据。这项工作的主要特点是，不管相互作用的能量如何，实验曲线都有相同的形状，这叫做比约肯标度不变性（Björken scaling）。
费曼初期对部分子的性质并不能完全确定，由于在解释电子——质子碰撞现象中取得了一系列成功，从而增强了这一模型的明晰性．随后，在电子深度非弹性散射中，物理学家们探测到的带电部分子具有1/2自旋；后来人们对费曼的理论进行了推广，把夸克或反夸克这样部分子模型和夸克模型结合起来就构成了夸克一部分子模型；这一模型认为：由于强子是由夸克通过色相互作用结合成的复合粒子，强子内的部分子可以由三类粒子组成：一类称为价夸克，它们的数目和味是确定的并随不同强子而不同，价夸克决定强子的性质；一类称为海夸克，它们的数目和味是不确定的，但其总和的味性质和真空相同；一类称为胶子，它们的数目不定，其味性质和真空相同，起传递色相互作用的作用．这个模型认为决定强子内部结构的动力学机制是量子色动力学，并充分利用部分子模型中发展的方法来进行处理，这个模型已成为分析研究高能碰撞现象的重要理论工具。