一 粒子物理学发展中的若干重大事件

首先让我们简要地回顾一下粒子物理学发展的历史，远的不说，只从19 世纪末谈起，粒子物理学的发展大致经历了三个阶段。

（一）第一阶段（1897 ～ 1936 年）

这个阶段是从电子的发现开始的。

电子是最早发现的一种基本粒子，1897 年，J.J.汤姆逊在阴极射线实验中发现了带负电的最小粒子——电子；1905 年，A.爱因斯坦发现光也具有粒子性，它由一份一份的光量子所组成，后来光量子被称为光子；1906年，E.卢瑟福通过α射线散射实验发现了质子（图 1-1 ～图1-3）。电子、光子、质子这三者是当时人们最早认识的基本粒子，直至今日没有发现它们能自发转变。

20 世纪头 30 年是物理学发生翻天覆地大变革的时期，这期间与基本粒子物理有关的发现和学说可真不少。1932 年，J.查德威克在用α粒子轰击核的实验中发现了中子（图 1-4）。随即，人们认识到原子核是由质子和中子构成的，对于物质微观结构，此时人们已认识到所有物质都是由电子、质子、中子组成的，还知道光子是传递电磁力的媒介子。当时，不少人认为这些粒子是构成物质的最原始、最简单的成分，是不能再分的，因此把它们称为基本粒子。

1932 年，C.D.安德森在利用放在强磁场中的云室记录宇宙线粒子时发现了正电子（图 1-5）。实际上，早在四年以前，P.A.M.狄拉克创立相对论性量子力学时，已预言正电子的存在。1933 年，W.E.泡利发表了中微子假设（图 1-6）。1935 年，日本的汤川秀树提出核力理论，并预言了π介子的存在（图 1-7）。1937 年，C.D.安德森、S.内德梅耶和其他学者从宇宙线中发现μ子。由于电子和μ子的质量比中子和质子轻得多，所以电子和μ子又被称为轻子，中子和质子被称为重子。

在相继发现了中子、正电子和μ子之后，人们认识到原子也是可分的，它由原子核和电子构成，而原子核又由质子和中子构成，于是人们将电子、质子、中子、正电子、μ子和光子统称为基本粒子。

（二）第二阶段（1936 ～ 1964 年）

这个阶段的开始以在宇宙线中发现μ子为标志。

1934 年，汤川秀树为解释核子之间的强作用短程力，基于同电磁作用的对比，提出这种力是由质子和（或）中子之间交换一种具有质量（电子质量的 200 ～ 300 倍）的基本粒子——介子引起的。

1937 年，安德森在宇宙线实验中发现了一种质量约为电子质量 206.77倍的粒子，带有正的或负的单位电荷。当时，人们曾认为它就是汤川预言的核力的媒介粒子，称之为π介子，但是以后多年的研究发现，它不可能是汤川秀树所预言的那种介子，于是后来又正名为μ子。

20 世纪 40 年代，人们在实验中发现了汤川秀树预言的另一类基本粒子，它们的质量介于轻子和重子之间，故称为介子，如π介子、K介子等。不久，人们又陆续发现了一批质量超过中子和质子的粒子，称之为超子，如Λ超子、Σ超子和Ξ超子等。不过应该指出，按照目前的实验发展来看，轻子族、介子族和重子族的命名已失去按质量大小来分类的意义，因为人们不仅发现了有的介子的质量可以大于重子，也找到了足够的证据证明存在比重子还重的轻子。

到了 20 世纪 40 年代，粒子物理学从核物理学中脱颖而出，正式创立。1947 ～ 1954 年，罗切斯特（G.D.Rochester）和巴特勒（C.C.Butler）等人在宇宙线中发现了Λ ⁰ 、Κ ⁰ 、Κ ⁺ 等奇异粒子。

随着时间的推移，在 20 世纪 50 至 60 年代，由于各种类型的高能加速器的建成以及探测技术的迅速发展，除了发现两类中微子ν _e 和ν _μ 外，人们还发现了 200 多种寿命极短的基本粒子（平均寿命只有 10 ^-23 秒左右），如Δ、Λ、Ω-等。这些粒子被称为共振态粒子，其中包括 1960 ～ 1962年路易斯·阿尔瓦雷斯（L.W.Alvarez）等人发现的大量共振子（图 1-8）。这样一来，基本粒子家族的成员一下子就增加到 300 多种，真可称得上是个大家族。

上面说过，安德森发现了正电子，事实上每个粒子都有一个反粒子，除了电荷等性质和粒子性质相反以外，反粒子的其他性质和粒子完全相同。1955 年，欧文·张伯伦（O.Chamberlain）和埃米利奥·吉诺·塞格雷（E.G.Segrè）等人在高能加速器实验中发现了反质子（图 1-9 ～图 1-10）；次年，布鲁斯·考克（B.Cork）发现了反中子。1956 年，克莱德·科温（C.L.Cowan）和费雷德里克·莱茵斯（F.Reines）发现中微子，首次验证了泡利的中微子假设。

这个阶段最重要的理论进展是量子场论和重正化理论的建立，以及相互作用中对称性质的研究。量子场论是由P.狄拉克、E.P.约旦、E.P.维格纳、W.K.海森堡和泡利等人在相对论和量子力学的基础上，通过场的量子化途径发展起来的。在量子场论领域中，最早发展起来的是量子电动力学，它是把电磁场（光子场）和电子场都加以量子化，从而描述电子和光子的各种现象的理论。不过这个理论存在发散困难，即量子电动力学中会出现无穷大的结果，经过J.S.施温格、朝永振一郎、R.P.费曼和F.戴森等人的努力，这个问题得到了解决。所采取的消除无穷大结果的方法，叫作重正化理论，它不但在原则上解决了量子电动力学中出现的发散困难，还提出了用图形表示计算方法──费曼图方法，用费曼图的语言，粒子过程能以非常简单的方式表示出来，不仅如此，还可以根据费曼图直接写出和过程有关的定量表示。

在当时，另一重大理论进展是相互作用中的对称性研究（对称性和守恒律）。1956 年，李政道和杨振宁研究发现，在弱作用中宇称守恒事实上并没有得到实验上的证实，他们提出在弱作用中宇称是不守恒的。1957年，吴健雄小组在极化原子核 ⁶⁰ Co的β衰变的实验中，证实了宇称不守恒（详见第五回）。

（三）第三阶段（1964 ～今）

这个阶段的开始以提出强子由夸克组成的假说为标志。

1964 年，美国物理学家默里·盖尔曼（M.Gell-Mann）和德国物理学家乔治·茨威格（G.Zweig）分别独立提出了强子结构的新模型（图1-11 ～图 1-12），盖尔曼称之为夸克（Quark），茨威格称之为艾斯（Aces）。

盖尔曼假设所有强子都是由更为基本的粒子构成，他称这种粒子为夸克，它们一共有三种。到了 20 世纪 70 年代，有更多能量更高、性能更好的加速器建成，虽然在这些加速器上没有找到夸克，但却得到了更有力的间接证据证明夸克存在。

1974 年，华裔科学家丁肇中与美国科学家伯顿·里克特（B.Richter）几乎同时发现了质量为质子的 3 倍多，但寿命却比通常的介子长约 1000 倍的新介子J/ψ粒子（图 1-13 ～图 1-14）。此后的发现和研究使夸克的种类扩充为 6 种，此外还发现了其他一些重介子，如D ^± 、Υ等，这些新粒子的发现，使粒子家族又增加了新成员，为研究基本粒子的内部结构提供了丰富的实验资料。另外，1975 年马丁·佩尔（Martin Perl）的研究小组发现重轻子τ，它的质量很大，达到质子的两倍（图 1-15）。马丁·佩尔为研究轻子的结构及建立正确的弱电统一理论提供了新的线索，因此获得了1995 年诺贝尔物理学奖。

1961 ～ 1962 年，盖尔曼和奈曼（Y.Neemann）各自独立提出强子分类的SU（3）八重态方案。1964 年，盖尔曼和茨威格提出了强子结构的夸克模型。至此，人们方知质子、中子同样具有内部结构，算不上基本粒子。

这一阶段理论方面的重大进展当属电弱统一理论的建立，1961 年，S.L.格拉肖提出电磁相互作用和弱相互作用的统一理论。这个理论的基础是杨振宁和R.L.米尔斯在 1954 年提出的非阿贝耳规范场论，随后S.温伯格、A.萨拉姆也在电弱统一理论的建立上做出贡献。

粒子物理学标准模型以夸克模型为结构载体，在弱电统一理论以及量子色动力学的基础上逐步建立和发展起来，格拉肖等人被称为标准模型的奠基人。20 世纪 60 年代，格拉肖、萨拉姆、温伯格为建立和发展标准模型做出了不懈的努力，他们三人获得了 1979 年诺贝尔物理学奖。

标准模型描述了与电磁力、强作用力、弱作用力三种基本力（没有描述重力），以及组成所有物质的基本粒子的所有物理现象，可以很好地解释和描述基本粒子的特性及相互间的作用。

理论方面还有一项成果是 1973 年戴维·格罗斯（D.Gross）、戴维·普利策（H.D.Politzer）和弗兰克·维尔泽克（F.Wilczek）提出的夸克“渐近自由”理论，并由此建立了强相互作用的量子色动力学理论（图 1-16 ～图1-18）。所谓“渐近自由”指的是，夸克之间距离越接近强作用力越弱，当夸克之间非常接近时，强作用力是如此之弱以致它们完全可以作为自由粒子活动。

量子色动力学是一门研究强核力的理论，夸克和胶子均带“色”，夸克之间的力称为色力或强核力，所以，量子色动力学是关于“颜色”的量子理论，不过这种“颜色”和我们经常看到的颜色是不同的概念。

近年来，随着科技的进步，在广大科技工作者的不懈攻关下，粒子物理学又有许多实验上的新发现以及理论上新学说。尤其是 2012 年 7月 4 日，欧洲核子研究中心（CERN）宣布发现了一种新的粒子，具有和科学家们多年来一直在寻找的“上帝粒子”——希格斯玻色子相一致的特性，将使英国物理学家彼得·希格斯（P.Higgs）等人 1964 年提出的一种假说最终得到证实（图 1-19）。这里暂不赘述，容后再表。应该说明，上述这些粒子的理论预言者和实验发现者，大多数都获得了诺贝尔奖，正所谓“实至名归”。