第二节 粒子物理学的发展

一、粒子物理 (高能物理)

  研究场和粒子的性质、运动、相互作用和相互转化规律的学科,也是研究粒子内部结构规律的学科,是当代物理学发展的前沿。

二、粒子物理的工作

  1.实验研究

  主要是通过高能粒子的相互碰撞,用实验手段发现新粒子。到目前已经发现了300多种。

  采用的试验设备有加速器、对撞机、探测器、计算机和数据处理系统。

  2.理论基础是量子场论,是解释微观现象的基本理论。

三、粒子与反粒子;强子与夸克

  1.粒子

  粒子是原子核之下的一个层次。由于不同的粒子参与不同的相互作用,按它们的主要相互作用,可以将粒子分为三类:
   规范粒子:是传递相互作用的粒子,有光子γ等四种。

   轻子:不参与强作用而参与弱作用和电磁相互作用,自旋均为1/2的粒子,轻子必定以粒子与反粒子对的形式生成湮灭。电子等6种是轻子,加上它们的反粒子,轻子共12种。

   强子:一切参与强相互作用的粒子统称为强子。质子和中子就是强子。自旋为零或整数的强子称为介子,(如π介子、K介子),自旋为半整数的强子称为重子(如质子、中子、Σ超子)。

  2.反粒子:反粒子的质量、寿命、自旋等与粒子相同,而电荷等相加性量子数与粒子异号。

        

  而首先从理论上预言反粒子存在的人,是英国人狄拉克(1902-1984)。25岁时狄拉克对量子力学就做出了令人瞩目的贡献。此后他致力于建立相对论性电子理论。终于他提出了著名的狄拉克方程。该方程不仅简洁、优美,而且还能解出实验的自旋值和磁矩值,精细结构,将量子力学中的康普顿散射、塞曼效应等事实,通过相对论电子理论统一起来。

  但方程给出的态比实验情况的态多一倍。在这样的情况下,狄拉克大胆预言,自然界中可能存在正电子。两年后,美国物理学家安德森从宇宙射线中发现了正电子。狄拉克的发现,说明了物理学的发现可以有多种不同方法和途径。

 

         

  1955年赛格雷、张伯伦在高能加速器上获得了反质子,1956年发现反中子。

  1959年,我国科学家王淦昌发现了反西格马负超子()。人们又开始想到能否用反质子、反中子、正电子,组成一个反原子。

         

  1995年开始,欧洲粒子研究中心的科学家,在(LEAR)低能反质子环中,产生了9个反氢原子,虽然它们存在的时间仅为三亿分之四秒,但是,却将人们对物质的认知领域大大扩展了。

 

  3.强子与夸克

  1964年,美国物理学家盖尔曼提出强子由夸克组成。

  1965年,中国科学家提出强子是由层子组成。

  科学家预言有六种夸克存在,即上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克,并都被一一证实。


  4.丁肇中与里希特发现J/ψ粒子

  1974年12月,美籍华人丁肇中、美国人里希特分别宣布发现了一个新粒子,它的质量为质子的3倍多。然后,由J/ψ粒子的奇特性质,人们又进一步证实了它是由粲夸克和反粲夸克组成,从而第一次从实验上证实了粲夸克是存在的。1976年,他们两人共获诺贝尔物理奖。

         

  1994年,费米实验室几百名科学家经过八年努力,利用长6.4公里的加速器,发现了顶夸克,夸克理论得到进一步验证。人们认识到组成物质的最小微粒,已不是原子、原子核,而是:

             

四、θ-τ疑难与杨振宁、李政道

  1.杨振宁、李政道简介

  杨振宁:1922年9月生于安徽合肥,父亲是清华大学数学教授。从小学到大学,成绩始终拔尖,对数学、物理特别有兴趣。1944年,毕业于西南联大后,前往美国芝加哥大学深造。

  李政道:1926年11月生于上海,父母均是知识分子,不仅聪明过人,而且学习刻苦,1946年,不满20岁就考取美国芝加哥大学研究生。

        
       李政道           杨振宁

  1946年,杨、李二人听费米的课,费米很赏识杨、李二人。1949年杨振宁到普林斯顿研究所工作,1951年李政道也来到普林斯顿。1956年提出宇称不守恒定律,1957年同获诺贝尔物理奖和爱因斯坦科学奖。杨、李多次回祖国探亲、讲学,提出许多带有建设性的意见。

           

  2.θ-τ疑难
  1953年,人们观察到,一种θ介子可以衰变成两个π介子,而 τ介子可以衰变成三个π介子,就宇称而言,他们应是不同粒子,但人们对θ介子、π介子作了反复的研究,认定它们质量、电荷都相同,应为同一种粒子,这就是θ-τ疑难。


  3.在弱相互作用中,宇称不守恒
  杨振宁、李政道大胆提出在粒子的弱相互作用中,宇称不一定守恒,θ粒子和τ粒子可能是同一种粒子。

      


  4.吴健雄的实验验证
  吴健雄做了极化原子核β衰变实验,将置于0.01K的低温环境中的磁场内,实验说明了β衰变规律宇称不守恒,使杨、李的观点得到了验证,打破了人们的传统观念。


五、粒子对撞机等实验手段的增强

  为了探测更深层次的物质结构,人们又设计了对撞机。对撞机的能量利用效率高,能适应发现新粒子的需要。欧洲粒子研究中心在1982年建成的质子、反质子对撞机,能量为电子伏+电子伏,成功地发现了波色子