粒子物理学

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  粒子物理学汉语拼音:Lizi Wulixue;英语:Particle physics),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的能量下这些物质相互转化的现象,以及产生这些现象的原因和规律的学科物理学的一个分支。又称高能物理学基本粒子物理学。当代物理学发展的前沿之一。

产生和发展

  粒子物理学是以实验为基础,而又基于实验和理论密切结合发展的,它大致经历了三个阶段。

第一阶段(1897~1937)

  这个阶段里,两千多年来关于物质是由最小构成单元原子构成的思想,由哲学的推理变成为科学现实,而且在这个阶段终了时形成了现代的基本粒子的思想。

  原子的概念是由2400年前的希腊哲学家德谟克利特中国战国时代的哲学家惠施提出来的。惠施说“至小无内,谓之小一”,意思是最小的物质是不可分的,称作最小的单元。这个最小的单元就是德谟克利特称为原子的东西。但他们都没能说明原子或最小的单元具体是什么。此后的2,000多年间原子这个概念只停留在哲学思想的范畴。

  1897年,J.J.汤姆孙在实验上发现了电子,1911年E.卢瑟福由粒子大角度弹性散射又证实了带正电的原子核的存在,这就从实验上证明了原子的存在和原子是由电子和原子核构成的。

  1932年,J.查德威克在用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,从而得到了一个所有的物质都是由基本的结构单元——质子、中子和电子构成的统一图像。

  1905年,A.爱因斯坦提出电磁场的基本结构单元是光子,1922年被A.H.康普顿等人的实验所证实,因而光子被认为是一种基本粒子。1931年,W.泡利又从理论上假设存在一种没有静止质量的粒子中微子(严格地讲是反中微子,中微子的存在是1956年由F.莱因斯C.L.科恩在实验上证实的)。

  相对论性量子力学预言,电子质子中子中微子都有和它们质量相同的反粒子。第一个反粒子正电子(电子的反粒子)是1932年C.D.安德森利用放在强磁场中的云室记录宇宙线粒子时发现的,50年代中期以后陆续发现了其他粒子的反粒子。

  随着原子核物理学的发展,发现除了已知的引力相互作用电磁相互作用之外,还存在强相互作用弱相互作用两种新的相互作用。

第二阶段(1937~1964)

  这个阶段的开始以1937年在宇宙线中发现μ子为标志。

  μ子的发现 1935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。1936年,C.D.安德森S.H.尼德迈耶在实验上确认了一种新粒子,其质量是电子质量的207倍,这就是后来被称为μ子的粒子。μ子是不稳定的粒子,衰变成电子、一个中微子和一个反中微子,平均寿命为2×10-6秒,自旋为/2。

  汤川最初提出的介子的电荷是正的或负的。1938年,N.J.凯默基于实验上发现的核力的电荷无关性的事实,发展了稍早些时候出现的同位旋的概念,建立了核力的SU(2)对称性理论。这个理论有两个重要的结果:①除了带正负电的介子之外,还应当有不带电的中性介子,三种介子的质量应当相同;②强相互作用的粒子可按同位旋分成一组组的多重态。

  π介子和奇异粒子的发现 1947年,M.孔韦尔西等人用计数器统计方法发现μ子并没有强作用,直接的证明是1948年由张文裕用云室研究μ子同金属箔直接相互作用得到的。1947年C.F.鲍威尔等人在宇宙线中利用核乳胶的方法发现了真正具有强相互作用的介子,其后在加速器上也证实了这种介子的存在。它们的质量约为电子质量的270倍,带有正电荷或负电荷,被称为π±介子。1950年发现了不带电的π0介子。μ子后来则和电子以及中微子归于一类,统称作轻子

  此后人类认识到的基本粒子的数目越来越多。1947年,G.罗彻斯特C.巴特勒在宇宙线实验中发现了V粒子(即K介子),这就是后来被称为奇异粒子的一系列新粒子发现的开始。由于它们独特的性质,一种新的量子数奇异数的概念被引进到粒子物理中。

  这些发现了的基本粒子,加上理论上预言其存在,但尚未得到实验证实的引力场量子引力子,按相互作用的性质,可分成引力子、光子轻子强子四类。

  新粒子大量发现和强作用SU(3)对称性的建立 为了克服宇宙线流强太弱这个限制,从20世纪50年代初开始建造能量越来越高、流强越来越大的粒子加速器。实验上也相继出现了新的强有力的探测手段如大型气泡室火花室多丝正比室等,开始了新粒子的大发现时期。到60年代初,实验上观察到的基本粒子的数目已增加到比当年元素周期表出现时发现的化学元素的数目还要多,而且发现的势头有增无减。1961年,由M.盖耳-曼Y.奈曼提出了用强相互作用的SU(3)对称性来对强子进行分类的八重法。八重法分类不但给出了当时已经发现的强子在其中的位置,还准确预言了一些新的粒子。八重法很好地说明粒子的自旋、宇称、电荷、奇异数以及质量等静态性质的规律性。

  此阶段证实了不仅电子,所有的粒子都有它的反粒子(有的粒子的反粒子就是它自身,如π0、η等)。其中第一个带电的反超子是由中国王淦昌等在1959年发现的。此外,还发现了为数众多的寿命极短,经强作用衰变的粒子共振态

  基本粒子大量发现,使人们怀疑这些基本粒子的基本性。基本粒子的概念面临一个突变。这就是这个阶段终了时粒子物理在实验上的状况。这个阶段理论上最重要的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。

  量子场论和重正化理论的发展 上一阶段对微观世界理性认识的最大进展是量子力学的建立。经过一代物理学家的努力,量子力学能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性,化学元素的性质,光的吸收及辐射等现象,特别是当它同狭义相对论结合而建立相对论性量子力学以后,它已经成为微观世界在原子分子层次上的一个基本理论。但量子力学还有以下几个方面的不足:①不能反映场的粒子性;②不能描述粒子的产生和湮没的过程;③有负能量的解,这导致物理概念上的困难。量子场论是由P.A.M.狄拉克E.P.约旦E.P.维格纳W.K.海森伯W.泡利等人在相对论量子力学的基础上,通过场的量子化的途径发展出来的,很好地解决了这三个问题。

  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,从而描述电子光子的各种现象的一种理论。20世纪40年代,人们对这个理论中的发散困难作了深入的分析。经J.S.施温格朝永振一郎R.P.费因曼F.J.戴森等人的努力,在解决这个问题上有了突破性的进展。他们发现,如果重新定义理论中的质量和电荷,使之同实验的观测值相应,则量子电动力学中的无穷大结果不再出现。这种消除无穷大结果的方法,称为重正化理论。它不但在原则上解决了量子电动力学中出现的发散困难,还提出了一整套按电子电荷的幂次展开的能用图形表示的逐级近似(微扰近似)的计算方法费因曼图方法,使量子电动力学的计算有了简单可靠又具有相对论协变性质的基础。量子电动力学已得到了许多实验上的验证,成为电磁相互作用的基本理论。

  探索强作用的基本理论 20世纪50年代初证明了重正化的方法,也适用于强相互作用汤川理论。但这无助于使汤川理论成为强相互作用的基本理论,因为按强作用耦合常数的幂次展开级数是不收敛的,对于弱相互作用理论则更困难。1934年由E.费米提出的弱作用理论中,虽然耦合常数小,可作微扰展开,而且在最低阶的计算得到很好的结果,但在高阶修正时出现的无穷大结果就不能用重新定义质量和耦合常数的方法来消除,所以它是不可重正化的。

  1954年,盖耳-曼M.L.戈德伯格W.梯令提出强相互作用的色散关系理论。该理论在50年代直到60年代初有很大的发展,但经过十多年的研究终于肯定色散关系不可能是强作用的基本理论,主要原因是它只包含对散射振幅的普遍要求,而缺乏强相互作用独有的特殊性的东西。它只能是一种唯象分析手段。

  沿着这个方向发展的还有雷其极点理论等。它们在缺乏严格证明的情况下被推广于强作用的散射理论,所得到的最重要的结果是:①基本粒子的自旋和质量有明显的规律性;②随着入射能量增加,二体散射截面在小角度处的变化具有特定的模式。由于这些理论的出发点和缺点与色散关系大致相同,故它们的成就和存在的问题就同色散关系大致相仿。

  相互作用中对称性理论的进展 在当时理论上另一重大的进展是相互作用中的对称性的研究(见对称性和守恒律)。如果量子场系统在一种对称变换下保持不变,则将对应着一种守恒量,如对于时空平移下不变,对应的守恒量就是能量动量。20世纪50年代初期,普遍认为各种相互作用中都有着空间反射变换P电荷共轭C时间反演T的不变性。与此相对应,宇称和C宇称应该是守恒的。不过这种观点,除了1955年由泡利在很一般的前提下,从理论上证明了CPT联合变换下量子场论的不变性以外,其他是没有从实验上或理论上被严格证明过的。

  1955年,经过周密地对奇异粒子θ介子和τ介子的实验分析发现了θ–τ之谜。1956年,李政道杨振宁了解到,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,也不存在θ–τ之谜。1957年,吴健雄小组在极化原子核60Co的β衰变的实验中证实了宇称不守恒。随后,宇称不守恒在其他弱作用过程的实验中也得到证实。这些实验同时也证实了在弱作用中C宇称的不守恒。

  1964年,J.W.克罗宁等人在长寿命K0L介子的衰变实验中,发现有2π终态的衰变,从而实验又证实了不但单独的空间反射P和单独的电荷共轭变换C的不变性在弱作用中受到破坏,而且它们的联合变换CP的不变性也遭到破坏。随后认识到,这个实验事实上也证实了在弱作用中时间反演变换的不变性的破坏。

  在弱作用中,与宇称不守恒的程度很大相反,CP不守恒的程度是极为微弱的,其根本原因至今尚没有足够的了解。

第三阶段(1964~ )

  这个阶段的开始以提出强子夸克组成的假说为标志。

  并非所有的基本粒子都是“基本”的想法,最早是在1949年由费米和杨振宁提出的。他们认为π介子不是基本的,基本的是核子,而π介子只是由核子和反核子构成的结合态。1955年,坂田昌一扩充了费米和杨振宁的模型提出了强子是由核子、Λ超子和它们的反粒子构成的SU(3)模型。坂田的模型可解释介子的分类,但解释重子的分类有着很大的困难。

  夸克假说的提出 1961年,在实验上发现了不少共振态。1964年,已发现的基本粒子(包括共振态)的种类增加到上百种,因而使得盖耳–曼和G.兹韦克提出,SU(3)对称性的基础就是构成所有强子的构造单元,它们共有三种,并命名为夸克(quark)。

  60年代以来,在宇宙线中、加速器上以及在岩石中,都进行了对自由夸克的实验找寻,但迄今的实验没有找到自由夸克,理论上认为夸克不能以自由的状态出现,这种性质称作夸克禁闭,有待量子色动力学理论进一步证明。

  强子内部结构的实验证据 20世纪60年代和70年代,有更多的能量更高、性能更好的加速器建成。虽然在这些加速器上没有找到自由夸克,但却得到了间接、有力的说明夸克存在的证据。

  强子具有内部结构的迹象,最早是在60年代中由电子在核子上的散射显示出来的。1969年开始用高能量的电子作为探针来研究质子的内部结构,发现质子内部有着几乎是自由的点状的结构。类似的实验后来也在中子上进行,得到了相同的结论。后来又用高能量的中微子作为探针来研究质子和中子结构。根据对散射截面的分析,也可得到核子里存在近似自由的、质量不大的点状物的结论。这些点状结构可认为是夸克存在的证据。它们的电荷可由正负电子湮没为强子的总截面加以验证。

  重夸克c、b、t 最初,在盖耳-曼等提出的假设中,夸克只有u、d、s三种,由此可得到当时及其后发现的所有粒子的一个令人满意的分类。1974年,丁肇中B.里克特等分别在质子加速器正负电子对撞机的实验中发现了一种新粒子J(或称作ψ),它的质量很大,而寿命却比大部分共振态小一万倍,这必须解释为它是由一个新的夸克c和它的反粒子所构成。这种新夸克c又称粲夸克,具有一种新的量子数粲数C。

  1977年,L.M.莱德曼等发现了另外一个独特的新粒子T,它的性质只能以它是由另一种新的夸克b及其反粒子所构成来解释。这第五种夸克的存在,接着由新粒子T′,T″等的发现而得到更多的证据。称第五种夸克b为底夸克。

  1995年美国费米实验室发现了第六种夸克,顶夸克t。它的质量很重,约为175吉电子伏。顶夸克t的寿命很短,来不及与它的反夸克构成强子就衰变为比它轻的夸克。

  轻子的新发现 与强子的数目急剧增加的情况相反,自从1962年利用大型火花室,在实验上证实了两类中微子分成νe和νμ之后,长时间内已知的轻子就只有四种:(e,νe)和(μ,νμ),但到了1975年情况有了改变,这一年M.L.佩尔等在e+e-对撞实验中发现了一个新的轻子τ,它带正电或带负电,衰变成μ子或电子和两个中微子,它的质量很大,为质子的两倍,所以又叫重轻子。2000年实验上发现了与τ轻子相应的中微子ντ

  至今尚未发现轻子有内部结构的实验证据。μ子在各个方面都同电子相同,相差只在于质量,这是一个一直使物理学家困惑的所谓代的问题。τ的发现使轻子增加到三代:(e,νe),(μ,νμ),(τ,ντ)。构成不同代的轻子的原因是粒子物理研究的前沿课题之一。一种尝试是把轻子和夸克放在同一层次上考虑,并考虑它们是复合粒子,是由更深一层次的粒子统一构成的。也许由于实验上的证据不足,这种考虑尚缺乏可靠的基础。

  夸克理论提出不久,就有人认识到强子的强相互作用和弱相互作用的研究应建立在夸克的基础上,还要充分考虑强子的结构特性和各种过程中的运动学特点,才能正确地解释强子的寿命、宽度、形状因子、截面等动态性质。1965年,北京基本粒子理论组发展的强子结构的层子模型,就是这个方向的首批研究之一。层子的命名,是为了强调物质结构的无限层次而作出的。在比强子更深一层次上的层子就是夸克。此后的20年,粒子物理实验和理论发展的主流一直沿着这个方向,在弱作用和强作用方面都有突破性的进展。

  电弱统一理论的建立 最早的弱相互作用理论,是费米为了解释中子衰变现象在1934年提出来的。弱作用宇称不守恒的发现,给弱作用理论的研究带来很大的动力。随后不久便确立了描述弱作用的流在洛伦兹变换下应当具有V–A的形式(V是矢量流,A是轴矢量流),而且适用于所有的弱作用过程,被称为普适费米型弱相互作用理论。

  尽管在最低阶的微扰论计算中,普适费米型弱相互作用理论可给出同实验相符合的结果,但高阶的计算中出现的无穷大,却无法用重正化的方法消除,这是费米弱作用理论的根本困难。

  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R.L.米尔斯在1954年提出的非阿贝尔规范场论。

  1967~1968年,在SU(2)×U(1)定域对称性的自发破缺的基础上,S.温伯格、萨拉姆阐明了作为规范场粒子的W±,Z0可有静止质量,还算出这些静止质量同弱作用耦合常数以及电磁作用耦合常数的关系。这个理论中很重要的一点是预言弱中性流的存在,而当时实验上并没有观察到弱中性流的现象。由于没有实验的支持,当时这个模型并未引起人们的重视。1973年,美国费米实验室和欧洲核子研究中心在实验上相继发现了弱中性流,之后对此模型才开始重视起来。

量子色动力学理论的建立

  20世纪60年代初,SU(3)对称性在强子分类上取得了成功,在此基础上产生了强作用的流代数理论。这个理论把强作用的对称性和色散关系理论所沿用的解析性讨论结合起来,给出了量子场论中出现的强子流算符所满足的代数关系,并由此得到了一些耦合常数之间、各种过程之间的关系及反常磁矩等物理量,这些结果虽然与实验符合,但流代数并没有给强作用的研究带来突破性的进展。

  到了20世纪60年代末70年代初,高能散射实验显示出强子的两个最显著的特征:①强子内部点状结构的存在;②这些点状结构在很小的尺度中相互作用很微弱,有如自由粒子(渐近自由现象)。这些特征使人们认识到,研究强相互作用理论必须把内部结构考虑在内。

  1973年,由于非阿贝尔定域规范场理论的进展,G.霍夫特H.D.波利策D.J.格罗斯F.维尔射克等人发展了强相互作用的量子色动力学,简称QCD理论。与量子电动力学一样,量子色动力学也是一种定域规范理论。这个理论中严格的对称性是色SU(3)对称性,夸克之间的强相互作用则是由于交换胶子而产生的。胶子是SU(3)定域规范粒子,它同光子一样,没有静止质量。但由于光子没有电荷,而胶子却带有色荷(胶子间有自作用),所以电磁相互作用没有渐近自由性质,而强相互作用却具有着渐近自由的性质。

  在小距离范围(10-14厘米)中,由于强作用耦合常数很微小,量子色动力学可做微扰论展开。尽管对夸克、胶子的囚禁性质尚未证明,不得不引进诸如复合、碎裂等唯象概念,但也能较好地解释一些高能实验结果,包括R值随能量的变化、轻子–胶子深度非弹性散射的结构函数对标度无关性的偏离、高能下的喷注现象等。但在大距离范围中(大于10-14厘米),量子色动力学除了不能用微扰论展开的困难外,还存在夸克禁闭的证明和揭示QCD真空及性质等问题,都有待进一步的发展。

粒子物理的发展前景

  20世纪70年代到世纪末,大量的高能物理实验证实了粒子物理中的标准模型理论。粒子物理标准模型理论是近半世纪以来探索微观世界规律的极重要的成就。这一理论已经受到了实验检验并正在继续发展。粒子物理如今面临着两大科学难题:对称性破缺的本质和夸克囚禁。揭示它们的本质并寻找解决两大难题的途径将是粒子物理学家在进入21世纪以后面临的艰巨任务,这很可能导致物理学中新的动力学规律的诞生,并影响21世纪科学技术的发展。20世纪末和21世纪初建成的高能加速器(如RIHC、Tevatron、LHC等)都是与解决这两大难题相关的。概括起来说,高能物理学正向两方向发展:一是向超高能量发展,如西欧中心的LHC和美国的RHIC;二是向高精度发展,如美国和日本的B介子工厂、意大利的φ介子工厂,τ–粲工厂等。这两大方向的发展相辅相成,目标在于深入研究现今这一层次的夸克、轻子以及相互作用的运动规律甚至可能揭示下一新层次的物理性质和规律。

  弱电统一理论告诉我们,弱相互作用和电磁相互作用在能量远高于中间玻色子质量时,它们是统一的,在低能时弱电对称性自发破缺表现出两种不同的相互作用。这就很自然地产生,当能量更高时,弱电统一的相互作用与强相互作用是否会形成更大的统一理论的问题。超对称大统一理论就是一种尝试,对称性破缺构成低能现实世界的不同类型的相互作用规律。从粒子物理发展可以看到,对称性破缺的本质可能来自于真空的不对称性产生真空对称性自发破缺机制;夸克囚禁可能是量子色动力学物理真空造成的。两者都很可能从真空中得到破解,关键在于揭示真空的物质本质。

  为了揭示真空对称性自发破缺机制和夸克囚禁的本质,科学家们正在建造一系列的高能加速器并进行实验探索。由于能量提高极限和经费投资的限制,加速器已很难达到更高能量。科学家们正在通过加强国际合作实现建造超高能量对撞机(如直线对撞机等)发展高能物理实验。同时,科学家们也在发展非加速器物理实验,并与天文观测相结合探讨自然界奥秘。最新的发展使得粒子物理学、天文学宇宙学交叉发展,联手解决面临的难题,最终揭示超出于标准模型新的微观物理规律。