第十五章 第四节 粒子物理简介

 

 

 

20 世纪 20 年代，电子、质子和中子被认为是组成物质的基本粒子。自 1912 年发现了宇宙射线后，物理学家利用各种粒子探测器从宇宙射线中发现了许多新的粒子。20 世纪 30 年代以后，原子核物理、宇宙线研究和量子力学理论对人们刚刚形成的物质结构观念形成了强烈的冲击。物理学新的分支——粒子物理学由此诞生。

1914 年，查德威克证明 α 射线和 γ 射线的能量是量子化的，α 粒子和 γ 粒子所带走的能量正好等于衰变前后原子核定态能级的差。然而 β 射线的能量却是连续分布的，衰变产生的电子的能量竟然小于原子核始、末定态的能量差。这个现象令物理学家感到不解。奥地利物理学家泡利（图 15–25）坚信能量守恒定律不可能对 β 衰变失效。

1930 年，泡利提出，在 β 衰变的过程中，除电子以外，还有一个轻的电中性粒子一起被发射出来。这个中性粒子的穿透力极强，很难被探测到。物理学界将这种还未被实验证实的中性粒子命名为中微子（符号为 ν_e）。β 衰变过程中，核子之间的相互作用不同于核力，物理学家将这种作用称为弱相互作用（weak interaction）。

王淦昌曾提出一种探测中微子的实验方案，有人按此方案进行实验，得到了与王淦昌预期相符的实验结果，间接地证实了中微子的存在。1956 年，中微子 ν_e 的存在终于被实验所证实。1962 年和 2000 年，物理学家又分别发现了另外两种中微子 ν_μ 和 ν_τ。

 

1928 年，英国理论物理学家狄拉克（图 15–26）从理论上预言了正电子的存在。通过理论分析，一对能量为 0.51 MeV 的 γ 粒子可在真空中产生一对正负电子对。反过来，如正电子和电子相遇则会发生湮没，化成一对 γ 粒子。此前，我国物理学家赵忠尧

 

（图 15–27）曾在实验中发现了狄拉克所预言的正负电子对湮没而发出的能量为 0.51 MeV 的辐射。安德森正是受到赵忠尧工作的启发于 1932 年在宇宙线的云室照片上观察到了正电子的径迹（图 15–28）。

反粒子与粒子具有相同的质量、相反的电荷量。20 世纪 50 年代以后，反质子、反中子以及其他反物质粒子相继在实验中被发现。粒子物理学认为，所有粒子都有反粒子，有些粒子（如光子）的反粒子就是它本身。

加速器是粒子物理学重要的实验工具。我们在必修第三册中曾学习过回旋加速器的工作原理。除了回旋加速器以外，目前应用于粒子物理研究的还有直线加速器和同步加速器。因为研究粒子物理通常需要利用高能加速器，所以粒子物理学也称为高能物理学。

如图 15–29 所示，在直线加速器中，电子或离子沿直线路径通过一系列漂移管（图中管状导体），加在漂移管上的电场是交变的。例如，对于电子而言，每当电子到达两个相邻漂移管交界处，电子前方的漂移管总是接在电源正极，电子后方的漂移管总是接在电源的负极。这样，电子在漂移管中做匀速运动，在漂移管间隙处被加速。电子加速的初期，速度逐渐增大。由于电子质量很小，经加速后，其速度很快接近光速。故直线加速器前段的漂移管长度逐渐增大，而后段漂移管的长度基本相同。直线加速器特别适合对电子的加速。对肿瘤进行放疗的 γ 射线，就是利用经直线加速器加速达 10 MeV 的电子轰击金属箔后产生的。

同步加速器的运行机制类似于直线加速器，只是同步加速器将长度相同的漂移管排列在半径一定的圆周上。这样，被加速的带电粒子可以通过沿圆周多次绕行获得更大的能量而无需增加加速器的长度。如图 15–30（a）所示，漂移管中超导磁铁的磁场使带电粒子沿圆周运动，而相邻漂移管间的交变电场使粒子加速。经加速的粒子通过每个漂移管的时间越来越短，同时粒子做圆周运动所需的洛伦兹力越来越大。同步加速器采用同步增大磁场磁感应强度和加速电场变化频率的方法将粒子约束在圆周轨道上继续加速。同步加速器中的带电粒子沿圆周运动会向外辐射电磁波，这种辐射称为同步辐射。欧洲核子研究中心建有半径为 4.3 km 的同步加速器 [ 图 15–30（b）]，可将质子加速至 7 TeV。

 

利用粒子相互撞击的实验所获得的数据可以分析被撞击粒子的结构。根据动量守恒和能量守恒定律，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。所以，采用粒子对撞的方法效果更为明显而且更加经济。这就是粒子对撞机的设计初

衷。近几十年发展起来的高能加速器多数是对撞机，粒子先在同步加速器中加速至一定的能量后被注入对撞机。在对撞机中，两束粒子流反向沿圆周运动，同时进一步被加速，在轨道交叉处相互对撞。

我国的北京正负电子对撞机于 1988 年建成，电子和正电子束的对撞能量为 2×2.8 GeV（图 15–31）。目前世界最大的对撞机是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，其圆形轨道周长达 27 km，位于地下 100 m 处，两束质子在其中对撞的能量可达 2×7 TeV。

自从电子、质子及中子被发现后，微观世界的图像变得十分清晰，物质由原子构成，原子由电子与原子核构成，而原子核由质子与中子构成。但随着理论和实验技术的不断发展，物理学家发现了越来越多的微观粒子。很显然，这些粒子不可能都是基本的。1960 年以后，一些物理学家开始尝试寻找物质构成的基本粒子及其内在规律。

1964 年，美国物理学家盖尔曼（M. Gell-Mann，1929—2019）等人提出夸克模型，认为质子、中子等粒子都是由更基本的 3 种夸克组成，分别称为上夸克（符号为 u）、下夸克（符号为 d）和奇异夸克（符号为 s），每一种夸克都有对应的反粒子——反夸克，符号分别是 \({\rm{\bar u}}\)、\({\rm{\bar d}}\)、\({\rm{\bar s}}\)。u 夸克、d 夸克、s 夸克所带的电荷量分别是 \(\frac{2}{3}\)e、− \(\frac{1}{3}\)e、− \(\frac{1}{3}\)e。质子由 2 个 u 夸克和 1 个 d 夸克组成，中子由 1 个 u 夸克和 2 个 d 夸克组成。1 个夸克和 1 个反夸克组成介子，3 个夸克或 3 个反夸克则组成重子，介子和重子统称为强子。利用夸克模型可以对当时所发现的各种粒子进行分类并预言新的粒子。20 世纪 60 年代，中国物理学家也提出了类似的层子模型。

 

1974 年，美籍华裔物理学家丁肇中（1936— ）及美国物理学家里克特（B. Richter，1931— ）领导的研究组分别发现了 J/ψ 粒子。与同类型的强子相比，J/ψ 粒子有一些新的性质无法用已有的 3 种夸克来解释。为此，物理学家引入了第 4 种夸克——粲夸克（符号为 c），并认为 J/ψ 粒子是由 c 夸克和 \({\rm{\bar c}}\) 夸克所组成。20 世纪 70 年代中后期，粒子物理学家又利用对撞机先后发现了底夸克（符号为 b）和顶夸克（符号为 t）存在的实验证据。不同的 u、d、s、c、b、t 被称为夸克的味，进一步的研究发现，每一种味的夸克还有红、蓝、绿 3 种不同的色，再加上各自的反夸克，一共有 36 种不同的夸克和反夸克。

需要指出，夸克的味或色只是用来表示夸克的属性，并不是说夸克真有不同的味道或颜色。实际上我们并不能看到自由的夸克，夸克只能通过强子的形式被观察到，这一性质称为夸克禁闭。

电子被发现后，1936 年在宇宙线中发现了与电子相似但质量约为电子质量 200 倍的 μ 子，1975 年又发现了质量更大的 τ 子。这 3 种粒子以及相应的中微子 ν_e、ν_μ、ν_τ 统称为轻子。考虑到反粒子，轻子一共有 12 种。轻子和夸克是目前已知的构成物质的最基本粒

 

子，在目前的能量条件下，尚未发现轻子和夸克有内部结构。

自然界有四种基本相互作用（fundamental interactions），即强相互作用、弱相互作用、电磁相互作用和引力相互作用。前两种相互作用只在很短的距离内起作用，称为短程力。我们熟知的电磁相互作用和引力相互作用都是长程力。

表 15–1 自然界的四种相互作用

相互作用类型	相对强弱	作用距离
强相互作用	1	10−15 m
电磁相互作用	10−2	无穷远
弱相互作用	10−6	10−18 m
引力相互作用	10−38	无穷远

 

1954 年，为了描述这些相互作用，物理学家杨振宁（1922— ）和米尔斯提出了规范场理论，微观粒子通过交换规范玻色子发生相互作用。规范玻色子一共有 12 种，其中带电粒子通过交换光子发生电磁相互作用，夸克通过交换“胶子”（共 8 种）发生强相互作用，弱相互作用则通过交换“中间玻色子”（共 3 种，分别为 W⁺、W⁻ 及 Z⁰）发生。

为了解释微观粒子质量的产生，英国物理学家希格斯（P. Higgs，1929— ）在 1964 年引入了希格斯粒子。2013 年欧洲核子研究中心宣布探测到了希格斯粒子。基本的粒子种类达到 61 种。

描述电磁相互作用的理论称为量子电动力学，描述强相互作用的理论称为量子色动力学，描述弱相互作用和电磁相互作用的理论称为弱电统一理论，这些都是规范场理论。规范场理论可以很好地描述微观粒子及其相互作用，与实验结果符合得很好，因而被称为粒子物理的标准模型，它代表着当今人类对微观物质世界的认识。标准模型的成功也推动了天体物理、宇宙学和核物理学等学科的重大发展。现在人类探索物质世界的进程仍在继续。

本节编写思路

本节从中微子和正电子的发现出发，对加速器及对撞机进行了初步的讨论，并对粒子物理的现状做了简要介绍。

正文解读

德谟克利特在 2 000 多年前就提出了物质的基本组成单元——原子。而庄子则提出“一尺之棰，日取其半，万世不竭”的物质无限可分思想。对物质结构的探究是物理学家始终不渝的追求。随着越来越多的微观粒子被发现，粒子物理学开始成为独立的分支学科。

 

能量守恒是物理学的基本原理。不论是宏观的还是微观的，不论是经典物理还是量子物理，能量总是守恒的。但对于 β 衰变的研究，却使包括玻尔在内的一些物理学家一度对能量守恒产生了怀疑。但泡利认为，能量守恒总是成立的，β 衰变过程丢失的能量实际上是被一种质量很小的中性粒子带走了。也就是说，β 衰变实际上是中子衰变为质子、电子及反中微子的过程。

 

中微子不带电，质量极小，与其他物质的相互作用极弱，因此很难被探测到。中微子可以轻易穿透地球。太阳除了发光、发热，同时也发射大量的中微子。每时每刻都有大量的中微子穿过我们的身体，但我们却没有任何感觉。

 

此处设置“大家谈”的目的是帮助学生理解 β 衰变中的能量守恒关系。

参考答案：根据能量守恒，β 衰变前后的能量也是守恒的。因为原子核能量是确定的，所以电子与反中微子的能量之和也是确定的，但电子的能量和反中微子的能量可以是任意的。

 

量子力学的基本方程即薛定谔方程是非相对论的。狄拉克考虑了相对论后得到了狄拉克方程，为量子场论的发展奠定了基础。按照量子场论，任何粒子都有反粒子，正电子则是第一个被预言并被发现的反粒子。正反粒子的产生和湮灭是量子场论的基本过程。

 

正反粒子具有相同的质量、自旋、寿命等性质，但具有相反的电荷量、重子数、轻子数等。中性粒子也有反粒子，而光子的反粒子就是其自身。虽然实验上已经观察到了正电子、反质子、反中子等众多的反粒子，但从未在自然界中找到天然的反原子，如由正电子和反质子构成的反氢原子等，更没有发现由反原子构成的反物质。当然，利用加速器可以制造出反氢原子甚至反氦原子。

 

1932 年柯克罗夫特和沃尔顿建成世界上第一台加速器，第一次利用人工加速粒子实现核反应。1932 年劳伦斯建成第一台回旋加速器，并用它产生了人工放射性同位素。早期的加速器能量不高，只能将质子加速到 100 MeV 以内。20 世纪 50 年代以后，加速器达到了 GeV 的能级。20 世纪 60 年代提出了对撞机的概念，高能加速器从此进入 TeV 的能级。目前最大的强子对撞机可以将单个质子加速到 7 TeV 的能量，对撞能量达到 14 TeV。随着加速器能量的不断提高，我们对微观物质世界的认识也逐步深入，粒子物理的研究也取得了巨大的成就。

 

此处设置“STSE”的目的是帮助学生了解加速器广泛的实际应用。

 

根据麦克斯韦电磁理论，带电粒子做加速运动时会辐射电磁波。同步加速器中的高速运动电子或正电子在磁场作用下偏转时会沿轨道切线方向辐射电磁波，即同步辐射。最初同步辐射是同步加速器的副产品，但由于同步辐射光源具有频谱宽、准直性好、高偏振、亮度大、窄脉冲、高稳定性等优点，可以广泛应用于物理、化学、生命科学、材料科学、医学等领域的科学研究。同步辐射光源是目前极为重要的研究工具。上海同步辐射光源是具有世界先进水平的第三代同步辐射光源。北京光源是目前最先进的第四代同步辐射光源。

 

物理学家一度认为电子、质子和中子是构成世界万物的基本粒子。为了描述核子之间的相互作用，汤川秀树引入了三种 π 介子，随后在宇宙线中发现了 μ 子（刚发现时误以为 μ 子就是汤川提出的 π 介子）和真正的 π 介子。

 

进入 20 世纪 60 年代后，随着加速器能量的不断提高，发现了越来越多的微观粒子，这些粒子大部分是强子，即参与强相互作用的粒子。为了给这些粒子进行分类，坂田昌一提出了坂田模型，盖尔曼提出了基于对称性的八重法，均取得了一定的成功。在此基础上，盖尔曼提出了夸克模型。几乎同时，茨威格也提出了类似的模型，只是将类似夸克的粒子命名为 Ace，但是论文没有正式发表，所以茨威格的工作没有受到重视。

 

此处设置“自主活动”的目的是帮助学生了解反物质粒子的构成。

参考答案：反质子和反中子由反夸克构成，即 \({\rm{\bar p}}\) = \({\rm{\bar u}}\)\({\rm{\bar u}}\)\({\rm{\bar d}}\)，\({\rm{\bar n}}\) = \({\rm{\bar u}}\)\({\rm{\bar d}}\)\({\rm{\bar d}}\)。

 

夸克模型刚提出时，只有 u、d、s 三种夸克。夸克模型在解释现有粒子的性质以及预言新粒子等方面取得了很大的成功，但也存在一些问题。随着实验的进展，又陆续发现了 c、b、t 夸克。进一步的研究发现，为了正确描述强子的自旋-统计性质，必须给夺克引入颜色自由度，即每一种夸克都有红、蓝、绿三种颜色，而同一种夸克的不同颜色之间是严格对称的。这个发现导致了描述强相互作用的理论——量子色动力学的建立。

 

对微观粒子而言，引力作用比其他相互作用要弱得多，所以不需要考虑。电磁相互作用只发生在带电粒子之间。强相互作用和弱相互作用是短程力，只在核子尺度内起作用。

 

杨振宁和米尔斯在 1954 年提出的理论是为了解释核子之间的相互作用，当时并不成功。但杨振宁提出的基于对称性的规范场思想却产生了深远的影响，直接导致了后来弱电统一理论和量子色动力学的建立。

问题与思考解读

1．参考解答：两种加速器都是通过交变的电场对带电粒子多次加速从而产生高能粒子的。回旋加速器中带电粒子在稳恒匀强磁场中每旋转半周被加速一次，随着速度增大旋转半径也逐渐增大；同步加速器中带电粒子在由长度相同的漂移管排列组成的圆周内运动，通过同步增大磁场磁感应强度，保证其半径一定，带电粒子在运动一周过程中多次经过漂移管间隙而被多次加速。

命题意图：通过对比熟悉不同加速器的工作原理。

主要素养与水平：运动与相互作用观念（Ⅰ）。

 

2．参考解答：直线加速器中电子在漂移管中做匀速运动，在漂移管间隙处被加速。要确保每当电子到达两个相邻漂移管交界面处时加在漂移管上交变的电压总是使电子加速，也就需要确保电子在漂移管中的运动时间对应交变电压半周期的奇数倍，故漂移管最小的长度等于电子进入每一个漂移管时的速度与交变电压半周期的乘积。

命题意图：理解直线加速器的工作原理。

主要素养与水平：运动与相互作用观念（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）。

 

3．参考解答：电子和光子是基本粒子，电子属于轻子，光子属于玻色子；质子由夸克组成，它不是构成物质的最基本粒子。

命题意图：知道基本粒子及其常见分类。

主要素养与水平：物质观念（Ⅰ）。