《人类科学技术史-388》原子核物理和基本粒子物理的进展（下）

原子核物理和基本粒子物理的进展（下）

1970年，美国物理学家格拉肖(1932-)等人提出第四种夸克存在的假设，称作粲夸克，1974年，美籍华人丁肇中(1936-)实验小组和美国物理学家里希特(1931-)实验小组分别独立发现了一个大质量、长寿命的窄共振态介子，称为J／ψ粒子。盖尔曼的夸克模型不能解释它的性质，而用粲夸克则可对这种新奇的共振态介子作出解释：J／ψ粒子是由粲夸克和反粲夸克组成的。后来实验又发现了一些只含一个粲夸克和一个反粲夸克的介子和重子。1977年，费米实验室的莱德曼(1922-）又发现了一种新的重介子r(宇普西隆）。人们又猜测r可能是由第五种夸克和反夸克组成的。这样就共有u、d、s、c、b5种"味"的夸克。人们又把每种"味"夸克分成红、绿、蓝3种颜色。"味"和"色"都是不同量子状态的形象化表示。理论上研究认为，自然界的夸克数应为偶数。人们认为还应存在第六种夸克，并取名为顶夸克(t)。但这还有待于实验证实。

究竟有多少种夸克？高能物理的理论分析的结论是夸克的"味"不会超过16种。

由于夸克模型能够成功地解释许多已知事实，所以人们对它非常重视，极力寻求自由夸克。科学家们用海水和陨石作实验，探测宇宙射线，使用各种高能加速器，但这些努力都毫无所获。对此，多数人认为是"夸克禁闭"造成的：当夸克之间的距离增大时，其结合力的势能也随之趋向无穷，因此夸克将永远被囚禁在强子之中。但也有少数人认为自由夸克的质量很大(而在强子中束缚状态的夸克质量并不大），现有的高能加速器所提供的能量还不足以产生出自由夸克来。70年代初，在量子规范理论的基础上发展了一种描述强相互作用的新理论——量子色动力学。根据这一理论，存在着与电磁场对应的胶子场。电磁场的作用量子是光子，胶子场的作用量子是胶子。光子和胶子的静止质量都为零，自旋都为h。但光子不带电荷，而胶子则带色荷。有8种不同色荷的胶子，把夸克牢牢地粘合在一起。人们把看不到带色的自由夸克和胶子叫做色禁闭。按照汤川介子理论和夸克模型理论，强相互作用的传递者是π介子，π介子由夸克和反夸克组成，因此，π介子传递强相互作用的性质，来源于胶子传递强相互作用的性质。1979年8月，丁肇中实验小组在西德汉堡正负电子对撞机上发现了三喷注现象。实验值与量子色动力学的理论计算值相符。这间接地证明了胶子的存在。但强子结构理论的研究，仍面临许多重大问题。与此相关，如何理解物质的可分性和物质可分的无限性，也有待人们深入探讨。

在探索基本粒子结构的同时，对基本粒子相互作用方式的统一性的研究也取得重大进展。在基本粒子世界中，除已知的引力和电磁相互作用外，还存在强相互作用与弱相互作用。强相互作用是汤川秀树在研究核子的结合力时首先明确提出来的。强相互作用的力是短程的，但强度大，大约是电磁作用的100倍。弱相互作用最初是由费米在β衰变理论中提出来的。弱相互作用的力程极短，其强度只有强相互作用的1013分之一。

早在40年代，人们就开始探讨弱相互作用与电磁相互作用的统一了。

1961年，格拉肖提出了一个弱电统一的理论模型，为弱相互作用与电磁相互作用的统一奠定了基础。美国的温伯格(1933-)在1967年、巴基斯坦的萨拉姆(1926-)在1968年分别提出了弱相互作用与电磁相互作用的规范理论，简称W-S模型。它不仅可以解释已知的弱相互作用与电磁相互作用的基本规律外，还预言了尚未被人所知的传递弱相互作用的粒子——中间玻色子W＋、W和Z。1983年，意大利物理学家鲁比亚领导的小组通过高能质子一反质子对撞机的实验找到了这3种中间玻色子。实验结果与理论预言基本一致。弱相互作用与电磁作用在理论上已能统一起来，但它所预言的另一个粒子"黑格斯"至今尚未找到。近年来，以夸克模型，W-S模型和量子色动力学为基础的标准模型逐步发展起来，形成一个比较成功的基本粒子物理理论。物理学家正朝一个目标努力，试图把3种乃至4种相互作用统一起来，建立大统一理论。1984年，英国伦敦大学的格林教授和美国加州大学的斯瓦兹首先提出了超弦理论。1985年，美国另一位物理学家戴维.格劳斯又提出了杂化弦的超弦理论。超弦理论旨在解决引力的量子化和将4种相互作用统一起来的问题。这是探索大统一理论的最新进展。

在微观粒子体系中，有一种反映空间的左右对称性的概念，叫做宇称。

不同种类的基本粒子，或具有偶宇称，或具有奇宇称。1956年以前，多数物理学家都认为，由多个粒子组成的体系，无论在相互作用中发生什么变化，它的总宇称是保持不变的。这就是宇称守恒定律。但在1954-1956年，人们在实验中发现了质量、寿命和电荷都相同的两种粒子，一个叫θ介子，一个叫τ介子。这两种粒子的唯一区别在于：θ介子衰变为2个π介子，而T介子衰变为3个π介子。3个π介子的宇称为负，2个π介子的宇称为正。所以从衰变行为来看，如果宇称守恒，则θ和τ不可能是同一种粒子。但它们的质量、寿命和电荷都相同，又应是同一种粒子。这就是所谓的"θ-τ"之谜。1956年，在美国工作的物理学家李政道(1926-　）和杨振宁(1922-)对当时有关实验资料作了全面考察。他们发现在电磁相互作用和强相互作用中，宇称是守恒的；但在弱相互作用过程中，并没有可靠的实验证据。他们指出："目前的θ-τ之谜可以看作是宇称守恒定律在弱相互作用中并不成立的一个迹象。"如果在弱相互作用中，宇称可以不守恒，则θ-τ之谜将迎刃而解。李、杨二人还提出用哪些实验可以检验宇称守恒定律。另一位华裔美籍女物理学家吴健雄(1915-　）率先用60Co实验对宇称守恒定律作了检验，证明了在β衰变过程中宇称确实是不守恒的；θ和τ是同一种粒子也得到了确认(即K子）。弱相互作用中宇称不守恒的提出和证实，使人类对基本粒子性质及弱相互作用的规律的认识跃上一个新高度。李政道和杨振宁因这一成就于1957年获得诺贝尔物理学奖。这是华人第一次获诺贝尔奖，而且取得成就后一年就被授奖，在历史上是没有先例的。

4.高能实验装置

用于原子核物理和基本粒子物理研究的高能实验装置之一是粒子加速器。它用人工加速带电粒子，可产生高能量、高强度的粒子束，是人类历史上规模最大、耗资最多的实验装置。最早的加速器是1932年英国物理学家考克饶夫特(1897-1967）和爱尔兰物理学家瓦尔顿(1903-)在卢瑟福实验室建造的倍压加速器。它是一种直线型加速器。由于技术上的困难，直线型加速器长期没什么发展。直到第二次世界大战以后，由于微波技术的发展和稳相原理的提出，直线型加速器才东山再起。1948年，在美国加州大学建成第一台质子直线加速器，能量达32兆电子伏。1966年，美国斯坦福大学建成3050米长的电子直线加速器，能量达24京电子伏。

另一种类型的加速器是回旋加速器。粒子在环形轨道上运动。第一个回旋加速器也是在1932年由美国物理学家劳伦斯(1901-1958)设计制造的。

1944-1945年，原苏联物理学家维克斯列尔(1907-1966)和美国物理学家麦克米伦(1907-)分别独立发现了自动稳相原理，设计建造了稳相加速器(即同步回旋加速器）。此外，有人还发展了等时性回旋加速器。1952年，美国建成第一台质子同步加速器。用它所加速的质子，打出了K、Λ、Σ等奇异粒子。1959年，在日内瓦建成的强聚焦质子同步加速器，能量达28京电子伏。1973年，用它发现了中性弱流，为弱-电统一理论提供了支持。1960年，布鲁海文实验室建成了33京电子伏的强聚焦质子同步加速器。利用它在1962年发现了中微子Vμ，1974年发现了J粒子。70年代，在美国和日内瓦建成了两座世界上最大的质子同步加速器，最高能量分别达500京电子伏和400京电子伏。

高能实验装置在60年代以后的一个重要进展是建造对撞机。在这之前的加速器只产生一束高能粒子。随着加速器能量的提高，这种加速器存在很大的能量损失。为提高有效作用能量，人们提出建造对撞机。对撞机原理是美国物理学家开尔斯特(1911-)和奥尼耳(1927-)于1956年提出的。根据动量和能量守恒定律，粒子碰撞的有效能量(即能引起粒子反应的能量）只取决于粒子的相对速度。对撞的效果对于更高能量和更轻的粒子(如电子）

更为显著。目前世界上已建造了几十台对撞机。1981年，在日内瓦欧洲核研究中心建成的质子-质子对撞机，能量达2×2↑70京电子伏。1983年，在这台对撞机上发现的玻色子W＋、W和Z°，成为验证弱-电统一理论预言的证据。

中国于1988年10月16日建成了第一台高能加速器北京正负电子对撞机，首次对撞成功。1988年12月12日，中国最大的重离子加速器在兰州建成。　1989年，在合肥又建成同步辐射加速器。这三项工程的完成，标志中我国的加速器技术已接近国际先进水平。

目前，欧洲核研究中心正在建造一台大型质子-质子对撞机，能量为16太电子伏。人们期望能用它产生顶夸克、发现黑格斯粒子等新粒子和新现象。

半个多世纪以来，加速器的发展异常迅速，粒子的能量提高了6个数量级(由106电子伏到1012电子伏），成为当代大科学的重要标志之一。粒子加速器为原子核物理和基本粒子物理提供新的实验结果、新的证据和新的课题。基本粒子物理学每一个新理论的提出，都对加速器提出新的更高要求，也提出新的加速原理，推动着加速器的发展。在当代科学中，理论与实验以及技术的相互依存、相互促进的密切关系，由此可见一斑。

到目前为止，基本粒子物理学还处于积累实验事实，提出假说和创立理论的阶段，有许多未解之谜等待探索。但是，基本粒子物理学已对原子核物理学、天体物理学、凝聚态物理学产生了重要促进作用。粒子加速器产生的粒子束已被用于治疗癌症。粒子加速器在工业辐照和工业探伤等方面的应用已有30多年。高能直线加速器大功率束调管技术的发展，促进了大功率发射管技术的进步，推动了广播通讯事业的发展。由同步辐射加速器发展起来的同步辐射光源，现已进入到第三代，在许多领域，特别是在大规模集成电路光刻和超微细结构的加工方面获得了广泛的应用。