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粒子物理学

粒子物理学,又称高能物理学,它是研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质,和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支。

粒子物理学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,和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支。又称高能物理学

粒子物理学专门研究组成物质和射线的基本粒子,以及它们之间的相互作用。由于在大自然的一般条件下,许多基本粒子不存在或不单独出现,物理学家使用粒子加速器,试图复制粒子高能碰撞的机制,从而生产和侦测这些基本粒子,因此粒子物理学也被称为高能物理学

标准模型可以正确地描述基本粒子之间的相互作用。这模型能够计算12种已知的粒子(夸克轻子),彼此之间以强力弱力电磁力引力作用于对方。这些粒子会互相交换规范玻色子(分别为胶子、光子、W 及 Z 玻色子)。标准模型还预测了希格斯玻色子的存在。截至2010年,使用费米实验室的垓电子伏特加速器和欧洲核子研究组织大型强子对撞机,实验者仍旧在努力地寻找希格斯玻色子的来踪去迹。

在实验上把已经发现的粒子分为两大类。一类是不参与强相互作用的粒子,统称为轻子。另一类是参与强相互作用的粒子统称为强子。已经发现的数百种粒子中绝大部分是强子。

实验发现,强子也具有内部结构。强子内部带点电荷的东西在外国称为夸克中国的部分物理学家称之为层子。因为他们认为:即使层子也不是物质的始元,也只不过是物质结构无穷层次中的一个层次而已。

虽然层子在强子内部可以相当自由地运动,但即使用目前加速器所能产生的能量最高的粒子束轰击强子,也没有能将层子打出来,使它们成为处于自由状态的层子。将层子囚禁在强子内部是强相互作用所独有的性质,这种性质称为“囚禁”。

弱相互作用也有其独特的性质。它的基本规律对于左和右,正、反粒子,过去和未来都是不对称的。弱相互作用的不对称就是李政道杨振宁在1956年所预言,不久在实验上为吴健雄所证实的宇称在弱相互作用中的不守恒。

量子场论中,各种粒子均用相应的量子场来反映。空间、时间中每一点的量子场均以算符来表示,称为场算符。这些场算符满足一定的微分方程和对应关系或反对应关系。量子场的确既能反映波粒二象性,又能反映粒子的产生和消灭,还能自然地反映正、反粒子配成对的现象。

对称性在物理学中占有很重要的地位。可以证明,假使物理基本规律具有某种对称性,与之相应就有某种守恒定律。例如:假使物理基本规律在任何时间都一样,与之相应就有能量守恒定律:假使物理基本规律对于相变换具有不变性,与之相应就有电荷守恒定律

假使物理规律的某种对称性是定域的,那么与之相应一定存在某种基本相互作用。目前已经通过实验严格检验的广义相对论、量子电动力学和电弱统一理论都来源于定域对称性。也就是说:万有引力相互作用、电磁相互作用和弱相互作用都来源于定域对称性。

在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夸克。但却得到了间接的,但是更有力地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,也可以得到核子里存在近似自由的、质量不大的点状物的结论(见深度非弹性散射)。

这些点状结构,可以认为是夸克存在的证据。它们的电荷,可以由正负电子湮没为强子的总截面加以验证。由正负电子湮没为强子的过程,同正负电子湮没成一对μ+μ- 子的过程相仿,从理论上知道,在高能下,这两个过程的总截面 σ(e+e-→强子)和 σ(e+e-→μ+μ-)的比值R和夸克的电荷ei有关:Ce,标志夸克的类型。70年代初的 r实验值和理论上的夸克电荷值基本上能满足这个关系式,从而给予了夸克模型以很大的支持。

最初,在盖耳曼等提出的假设中,夸克只有u、d、s三种,由此可以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,丁肇中及B.里希特等分别在质子加速器和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。这种新的夸克c又称粲夸克,具有一种新的量子数──粲数C,它的电荷是(式1)。这第四种夸克及粲数的存在,不久便因一系列的新粒子ψ′、ψ″、D、F、ηc 等的发现而得到进一步的证实。同时,在更高能量的实验中,上面提到的r值也增加了,这也说明了在足够高的能量下第四种夸克开始对R作出贡献。

1977年,L.M.莱德曼等发现了另外一个独特的新粒子,它的性质也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,近年由新粒子'、″等的发现而得到更多的证据。现在称第五种夸克b为底夸克,它的电荷是(式2),带有一种新的量子数──底数B。在目前能够达到的最高能量的实验中,r值的进一步增加,说明b夸克也开始对r值作出贡献。

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Ⅴe和Ⅴμ之后,长时间内已知的轻子就只有四种:(e,Ⅴe)和(μ,Ⅴμ),但是到了1975年情况有了改变,这一年M.佩尔等在e+e-对撞实验中发现了一个新的轻子θ,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,达质子的两倍,所以又叫重轻子。与它相应,普遍相信应有另一种中微子Ⅴτ存在,但是尚未得到实验上的证实。 

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问题──所谓代的问题。θ 的发现使轻子增加到三代:(e,Ⅴe),(μ,Ⅴμ),(θ,Ⅴτ)。构成不同代的轻子的原因是目前粒子物理研究的中心课题之一。一种尝试是把轻子和夸克放在同一层次上考虑(表5、表6),并考虑它们是复合粒子,是由更深一层次的粒子统一地构成的。也许由于实验上的证据不足,这种考虑目前尚缺乏可靠的基础。但不少物理学家对中微子Ⅴτ的存在并不怀疑,这种对称性强烈地意味着一种新的夸克──第6种夸克t──的存在,它应当带有(式3)的电荷和一种新的量子数──顶数T。目前在实验上已得到第6种夸克存在的迹象。

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,同时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,中国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。近20年来,粒子物理实验和理论发展的主流,一直沿着这个方向,在弱作用方面,已有了突破性的进展,在强作用方面,也有重大的进展(见强子结构)。

最早的弱相互作用理论,是费密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,被称为普适费密型弱相互作用理论。

尽管在最低阶的微扰论计算中,普适费密型弱相互作用理论可以给出同实验相符合的结果,然而高阶的计算中出现的无穷大,却无法用重正化的方法消除,这是费密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,是杨振宁和R.L.密耳斯在1954年提出的非阿贝耳规范场论。格拉肖提出,电磁相互作用和弱相互作用,具有一种特殊的对称性──SU⑵×U⑴对称性。其中U⑴对称性是电磁相互作用所具有的,它的阿贝耳规范场粒子──光子是传递电磁作用的粒子,这是已为人们了解的;而SU⑵对称性则是格拉肖提出的,弱相互作用应具有的对称性,按照杨振宁和密耳斯的理论,它的非阿贝耳规范场粒子有三种:W+、W-和Z0,格拉肖认为它们是传递弱作用的粒子。在这个理论中,两种相互作用是统一的,两种耦合常数有着确定的关系。但是在这个理论里,W±和Z0粒子是否具有静止质量、理论上如何重正化等问题,没有得到解答。

1967~1968年,在SU⑵×U⑴定域对称性的自发破缺的基础上,S.温伯格、A.萨拉姆阐明了作为规范场粒子的W±,Z0是可以有静止质量的,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,所以当时这个模型并未引起人们的重视。1973年,美国费密实验室和欧洲核子中心在实验上相继发现了弱中性流,之后,人们才开始对此模型重视起来。在1983年,С.鲁比亚实验组等在 540GeV 的高能质子反质子对撞的实验中发现的W±和Z0规范粒子,质量(mw≈80GeV,mZ≈90GeV)及特性同理论上期待的完全相符,这给予电弱统一理论以极大的支持,从而使它有可能成为弱相互作用的基本理论,当然,这还有待于实验上对一系列的干涉现象的检验和对黑格斯粒子(见黑格斯机制)的发现和性质的澄清。

强相互作用研究的进展 60年代初,SU⑶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,虽然这些结果与实验符合,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,由于非阿贝耳定域规范场理论的进展,G.霍夫特、D.J.格罗斯等人发展了强相互作用的量子色动力学理论。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(表6)。在这个理论中,严格的对称性是SU⑶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SU⑶定域规范粒子,而且同光子一样,它并没有静止质量,但是由于光子没有电荷,而胶子却带有电荷,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(10-14cm) 中,由于强作用耦合常数很微小,量子色动力学是可以做微扰论展开的。尽管目前对夸克、胶子的囚禁性质尚未弄清,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 (>10-14cm),量子色动力学除了不能用微扰论展开的困难外,还另有一些根本性问题,这些都有待解决及澄清。

目前,粒子物理已经深入到比强子更深一层次的物质的性质的研究。更高能量加速器(1TeV,即 1012eV的质子加速器及2×100GeV的正负电子对撞机)的建造,无疑将为粒子物理实验研究提供更有力的手段,有利于产生更多的新粒子,以弄清夸克的种类和轻子的种类,它们的性质,以及它们的可能的内部结构。

弱电相互作用统一理论目前取得的成功,特别是弱规范粒子W+、W-和Z0的发现,加强了人们对定域规范场理论作为相互作用的基本理论的信念,也为今后以高能轻子作为探针探讨强子的内部结构、夸克及胶子的性质以及强作用的性质提供了可靠的分析手段。但黑格斯粒子是否存在的问题尚有待于继续澄清。

夸克之间强相互作用的一些根本性的重大问题,如囚禁、碎裂等,目前还没有解决,在今后一个时期,强相互作用将是粒子物理研究的一个重点。

把电磁作用、弱作用和强作用统一起来的大统一理论,近年来引起相当大的注意。但即使在最简单的模型中,也包含近20个无量纲的参数。这表明这种理论还包含着大量的现象性的成分,只是一个十分初步的尝试。它还要走相当长的一段路,才能成为一个有效的理论。

另外,从发展趋势来看粒子物理学的进展肯定会在宇宙演化的研究中起推进作用,这个方面的研究也将会是一个十分活跃的领域。

很重要的是,物理学是一门以实验为基础的科学,粒子物理学也不例外。因此,新的粒子加速原理和新的探测手段的出现,将是意义深远的。

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