基本粒子的发现与探索
作者:教务管理 时间:2015-04-19 18:32:27  浏览:934  来源:子站点  

一、历史概述  

  如果以1932年中子等发现作为核物理学真正诞生的标志,则从1896年发现放射性到1932年之前,可以说是核物理学的前期。这30多年中间,新发现层出不穷,大大丰富了微观世界的知识宝库,但是基本上还处于经验阶段;1933年以后,原子核理论才逐渐形成,各种核模型提了出来,大量实验为“基本”粒子的性质提供依据。及至四、五十年代,核能的开发和利用,大大地促进了核物理学的进展,高能粒子的研究发展成粒子物理学。 


二、粒子的发现 

1.理论预言与抓住机遇  
——从发现中子谈起 
1911年,英国的卢瑟福在实验的基础上,提出了原子有核模型,表明原子是由原子核和电子组成。这个假设后来也被实验所证实。在这之后,不少物理学家就去研究原子核的结构。因为在1911年就发现了质子,所以有些人就认为原子核是由质子和电子组成,但有很多现象无法解释。1920年,卢瑟福曾作过一个学术讲演,声称自己在研究元素周期律时,发现原子序数与原子量似乎有什么关系,因为不少情况下,原子序数差不多是原子量的一半。卢瑟福认为原子序数就是表示电子数,那么是否可能存在一种不带电的粒子,而它又参与了原子核的构造。这种以实验为依据提出问题的研究方法,是物理学的一个很重要的研究方法,很多理论预言就是这样形成的。卢瑟福在作这一学术讲演时,不少物理学家和他的几个助手都参加了。 
事过十多年,到1931年,德国的博脱和贝克在一次国际会议上宣布一个很有意义的实验结果,就是当α粒子打到铍核上,经反应形成碳核外,还有一种中性射线,当时无法解释这个中性射线是什么。参加会议的有很多著名的科学家,其中就有法国的约里奥·居里夫妇,他们是居里夫人的女婿和女儿。他们俩知道这一实验结果后,就去重复实验,发现这一中性射线很强,能量不低,于是想法把它引出来打到石蜡上去,结果发现可以打出质子来,表明这一中性射线能量高达5千万电子伏特。当时不少人(包括约里奥·居里夫妇)认为这一中性射线是γ射线,但γ射线在当时是不可能达到这么高的能量的。同时的实验发现,这一射线的能量是会变化的。如果它是γ射线的话,是不会变化的。这在当时就成为一个谜,困惑着科学工作者。 

  1932年,这一消息穿过英吉利海峡,传到了英国,几个科学家重做这个实验,所得结果相同。这时有一位年近40岁的物理学家查德威克,他也参与了实验工作,同时想起十年前卢瑟福的一次讲演中提出的原子序数为什么是原子量一半的问题,查德威克敏锐地感到这一中性射线必是一种新的呈电中性的粒子,他就命名为中子。他把这一结论写成论文送给《自然》杂志,在信中说:“如果我们假设这种放射性物质是由质量为1、电荷为0的粒子,即中子构成,那么一切难题就可迎刃而解。”查德威克由于这一功绩,被授与1935年度的诺贝尔物理学奖。当约里奥·居里知道这一消息后,用手连击自己的脑袋,连声说“我这么笨!我这么笨!”但是历史是无情的。在发现中子的当年,德国的海森堡和前苏联的伊凡宁柯同时提出原子核是由质子和中子组成。 



回忆发现中子的这段历史,会给我们一个启示:在研究工作中,以实验为依据的理论预言(即提出研究的课题)和实验中如何抓住机遇,是非常重要的。据说,约里奥·居里对1920年卢瑟福的学术讲演不以为然,漫不经心。正因为这样,约里奥·居里就没有一个有准备的头脑,但是机遇是偏爱有准备头脑的人的。 

  2. 能量守恒定律失败了吗 

   ——中微子的发现过程 

  20年代的物理学家们普遍认为,构成物质的原子是由电子和质子组成的。质子数为A,原子序数为Z的一个中性原子被看作由A个质子及A个电子组成,质子全部在核内,(A—Z)个电子在核中,其余电子则在核外的原子壳层之中。他们认为质子与电子都可以在核中找到。当时,如果设想还有什么其他成分存在,都将被认为与当时流行的自然哲学思想背道而驰的。 


   到了1930年底,量子力学不仅在原子物理、分子物理、固体物理中,甚至在对核过程(如α放射性,α粒子对核的散射)处理中,都取得了成功。然而人们发现,当把核作为质子与电子的系统进行量子力学处理时,出现了如下困难:如认为核包含A个质子,(A—Z)个电子,而后一个数又为奇数时,如锂-6或氮-14,自旋概念与统计法就是错误的:又按照相对性的电子量子理论,不可能把电子约束在像核这样小的区域内,所发现的电子却具有一个宽阔的连续谱。 

   对于β衰变,如何从理论上给出满意的解释,物理学家们探索了很长时间。重元素的β衰变就是其核中的中子β衰变所形成的,按当时流行的看法时的产物只有电子和质子,但在理论上很难讲得过去,首先是由于中子、质子和电子的自旋都是1/2,如果衰变后真的只有电子和质子,那么根据角动量相加法则不存在角动量为1/2的态,也就是无法保持角动量守恒;其次,根据能量守恒定律,β衰变后产生的电子和质子都应该具有确定数值的能量,但事实上β衰变时放射出来的电子的能量是连续分布的,也即有一宽阔的连续谱,不过有一个上限。 

  一种可能的解释是认为β粒子在从它们原来所在的放射性物质中逸出时受到连续分布的能量损失。为此,卡文迪许实验室的埃利斯设计了一个精巧的实验:把放射性物质所发射的β射线全部吸收到一块铝板中,然后他仔细测量由此产生的热量,实验结果表明,每个β粒子所释放的总能量恰好等于连续谱中电子的平均能量,这证明电子在物质中没有损失能量。一些物理学家,包括玻尔和海森堡认为,β衰变以及其他的困难表明:可能存在一种更新的动力学,甚至一种时空概念,只有它们才适用于核的尺度与能量。他们估计,在这个尺度内,电动力学,甚至狭义相对论有可能不再适用。玻尔甚至准备放弃能量守恒,他认为,只有把能量守恒作为一种统计规律,才能保留下来。与此同时,海森堡却在考虑一个新的基本长度引入到这一理论中去。总之,为了摆脱困难,人们准备接受一切,但唯独没有考虑存在一个新粒子的可能性。 

  在这些思想背景之下,1930年底,奥地利物理学家泡利大胆地提出存在一个新的中性粒子的建议,尽管这个建议很正式,但他仍把它幽默地表达为“孤注一掷的措施”和“一棵救命的稻草”。泡利假设,在β衰变中,除放出β粒子外,同时还放出另外一种质量很小的中性粒子(后来称为中微子),这样,原子核衰变能量就由电子,中微子和反冲核三者分配。由于原子核质量很大,所以反冲核能量就很小,可以忽略,主要只由中微子和电子参与能量的分配,这就解释了β能谱连续分布的特点,同时也解决了β衰变中的角动量守恒问题。 

  1931年在罗马的一次会议上,泡利有机会与玻尔等人进行讨论,泡利的想法遭到了玻尔的极力反对,因为玻尔总认为在核这样的尺度内,守恒定律不再成立。正如泡利在以后(1957年)所追忆的那样,在这个问题上,只有两种解释:有β放射性的反应中,能量守恒只在统计意义上成立。或者,在每一个单独的基本过程中,能量守恒都是严格成立的,但是在发射电子的同时,还有一种更为弥散开来的辐射,它由一种新粒子组成。对于上述两点,泡利补充说,“第一个可能的方案是由玻尔提出的、第二个由我提出的。” 

   然而也就在这次会议上,泡利的想法得到了意大利物理学家费米的赞同。费米以量子力学为依据,在泡利中微子假说的基础上,在1934年提出了完整的关于β衰变的理论,这个理论弥补了泡利中微子假说的不足,能够定量解释β能谱各个细节以及β衰变的各种规律。费米认为:电子和中微子是在原子核β衰变的过程中产生并发射出来的,这是一种新的相互作用,核子可看作是β衰变场的源泉;β衰变有着比其他类型长得多的寿命,由此断定,电子—中微子场与核之间的相互作用是一种弱作用,从而开辟了弱相互作用研究的新领域。 


   正电子的预言和发现,使人们第一次认识到自然界中存在着反粒子,它显示了大自然的一种基本的对称性——正与反的对称性。后来发现各种基本粒子都有相应的反粒子存在,这是个普遍的规律。正电子的发现也启发人们去寻找其他的反粒子。50年代有的物理学家从宇宙线中去搜寻反粒子的踪迹,有的则设法提高加速器的能量,期望从加速器中发现反粒子。现在反粒子已成为粒子物理学中一个重要的基本概念。 



  从狄拉克的预言到正电子的发现,科学家的想象力起着重要的作用。想象是创造性思维的重要特征,是科学发现的前奏。在自然奥秘尚未揭示前都要用猜想或设想加以补充,而后随着实践的发展,正确的想象最终得以证实。想象不仅表现在建立概念、实验设计和提出假说等基础研究中,还表现在对现实事物的理解和对未来发展的预测中。在整个科学研究中,人们不断地提出一个个设想,又一次次在实践中加以检验。科学的想象始终激励着人们去探索自然的奥秘,正如马克思所说:“想象力,这是十分强烈地促进人类发展的伟大天赋。” 

  2.选题的竞争性和挑战性 

  ——反西格马负超子的发现 

  1982年,国家自然科学一等奖颁给了中国科学院原子能研究所名誉所长和研究员王淦昌教授,以表彰他1960年在莫斯科市郊杜布纳 
功绩。 
一值得提起的工作(联合原子核研究所是当时社会主义国家合资运营的一个研究机构)。自1932年,安德逊在宇宙线中发现电子的反粒子—正电子之后,进一步探索粒子—反粒子的对应的完整性,成为基本粒子研究中的一个重要课题。50年代中期,美国物理学家在质子稳相加速器上相继发现了反质子和反中子,人们认为对于粒子—反粒子的对称性的认识大体上已成定论。反粒子的发现成为众多研究前沿中的突出课题。同时也成为科技进步的重要标志,美国、前苏联和西欧在这方面的研究中展开了激烈的竞争,王淦昌正是在这个时候到联合所去,并领导一个研究小组开始工作的。  

   王淦昌认为对新粒子的探索最好是能观察到该粒子从产生到湮没整个过程的全部信息,做到最大限度地分析事例以及排除偶然因素的干扰。他到联合所后发现前苏联同行们原来准备的云雾室以及扩散云雾室等都只适用观察新粒子的衰变图象而不利于观察其产生,利用加速器进行实验较之宇宙线实验最大的优点是可以人为“控制”其产生过程,因此利用径迹探测器来观察和建立气泡室是必要的。王淦昌提出了制作大体积的丙烷气泡室的建议,从性能上考虑,该气泡室技术较简单,含氢富集,并可利用现成的磁铁安放在内进行径迹的动量分析。1958年秋末该气泡室建成,运行稳定。 

   用什么粒子去轰击丙烷核靶产生各种新奇异粒子,即反超子产生过程的优选是很关键的。联合所的加速器从能量上讲,可以产生?±、K±介子和反质子等各种次级粒子,从这些粒子中利用反质子的湮没过程是最有利的,但要观察的核作用,必须用很复杂的电磁反离系统把?-,K-介子剔除,才能得到比较干净的束流,这在技术上十分复杂。王淦昌决定用高能?-介子束(7~8GeV/C)作为入射粒子,这在技术上容易做到,其次利用?-介子束入射还可以研究其他广泛的基本粒子相互作用的课题,再则在?-+P的入射系统中本来没有反重子,如果发现反超子,则它就是“真正”在核反应中“产生”出来的。 

   王淦昌和他领导的小组利用丙烷气泡室拍摄了近10万张照片,其中包含着几十万次?-介子与核反应的事例,要在这众多纷杂的图象中鉴别出待研究的粒子,必须对于这种反粒子的正粒子的基本性质有所了解以及对反粒子应有的特点勾划出一个大致的图象概貌。王淦昌基于对奇异粒子及反粒子性质的一般认识,提出了所谓的“直视鉴别准则”,其中包括:在气泡室内有效体积里产生核作用中要有可观测的奇异粒子产生;观察到的待研究粒子必须在有效体积内衰变;观察到另一衰变产物的湮没;在有效体积内有尽可能多的径迹是可以作动量分析的;待测粒子及其再衰变次级粒子必须在视觉内是同平面的,以免与核反应混淆等等。在这些准则的指导之下,每个研究人员都在脑中有了一幅清晰的图象,从而有的放矢地寻找出待研究的粒子。 

 


  王淦昌他们经过艰苦卓绝的工作之后,鉴别出若干可能的“候选者”,然后再从它们中间挑选出最有竞争性的事例,将挑选出的具有最理想的径迹条件的事例进行运动学的定量分析,并尽可能对其游离度进行分析作为佐证,依靠动量、能量守恒的基本原理,推定该粒子的质量、寿命,直视确定 
反超子。他们又详细分析其产生过程,认为观察到的产生过程与奇异量子数守恒、重子数守恒等基本对称性没有矛盾,并排除了所发现的事件不可能是 
理论预言,这一发现是联合核研究所最值得称道的一项工作。王淦昌取得的令世人瞩目的成就体现了一位中国科学工作者在当时基本粒子研究上具有的先进水平。这种水平首先体现在选题上,王淦昌选择了最具竞争性和挑战性的课题,不失时机地做出了重大的发现。他敢于竞争,敢于迎接挑战,则是由于对做出发现的主客观条件有全面的、充分的和客观的估计,他所选择的课题是切实可行的。事实上,王淦昌在1959年就已经发现,在气泡室里存在?-与核作用中产生反质子以及在气泡室中湮没的事例,并推算过?-与核作用产生几率的下限,这可以看作他以后成功的先兆,在以后找到“候选事例”的同时,还找到好几个的“候选事例”,其图象非常理想。在当时联合核子研究所的10GeV质子同步稳相加速器上利用大型气泡室进行研究,在技术上占据优势,能量上也达到世界领先水平,探测的信息也是十分全面的,这无疑提供了最先进的实验技术条件。王淦昌充分利用这些条件,为完成课题设计了科学的蓝图,制订出合理的技术路线,恰如其分地掌握实验过程的每一环节,他做出重大突破是必然的。  

   四.结构模型的提出 
——唯象方法与模型方法的结合 
唯象的方法、模型的方法,是物理学研究的重要方法之一,特别是研究物质结构类的课题时,常用此法。 
模型方法很直观,可以让人们想象出来。在应用模型方法时,一开始往往都是唯象的,根据某一个或某些现象,凭研究者的直觉想象,有时还采用类比的方法,借助于其它学科或本学科其它分支学科中对某些课题的结论或图象,描绘出作者想要给出的图象、模型,所以这种模型往往是唯象性模型。只有当得到实验的验证用数学来处理有关问题,能解释一些现象,并能作出预言,那么这一假说就走上了唯理的道路,使之上升为理论。 

  20世纪50年代,各种类型的基本粒子已经发现了几十种, 还有继续发现新粒子的趋势。当时不少物理学家认为,基本粒子就是最基本的了,它们没有内部结构,也不能再分割。但也有一些物理学家对此有不同的意见,而去探讨基本粒子的分类和结构模型。先后有美国的费米、杨振宁提出的束缚态假设,日本的坂田昌一提出的介子—重子复合模型,美国的盖尔曼提出的八重态模型,后来又提出夸克模型。在60年代中,我国科学工作者也提出了基本粒子结构的层子模型,它既有正确的哲学思维的指导,又有一些实验根据;既是唯象性的模型,又有一些对动力学的机制的讨论和得出的结论。 

   当时提出层子模型的实验根据有:一,在实验中发现基本粒子有大小;质子半径为0.71×10-13厘米,?介子半径为0.62×10-13厘米,这充分表明基本粒子并不是一个点,它还有大小;二,实验中发现,如果用其他粒子打到质子上去,发现质子有的部位很硬,有的部分很软,说明质子内部有空隙,一个粒子内部有空隙,表明还可以分割;三,把已经发现的基本粒子的质量按一定规则排列,画成一个质量谱,这个谱与原子光谱的图象很相似,原子光谱是原子可以分割的根据之一,那么质量谱是否意味着基本粒子还可以分割。根据这样一些实验结果,我国科学工作者提出了层子模型。认为基本粒子由层子组成,而层子数有三个,每个层子的带电性质是分数电荷。这个模型提出后,能解释一些现象,得出一些结果,但也碰到不少困难,促使结构理论向前发展。 
  有人说,层子模型与夸克模型是一样的,但事实并不如此,无论在研究的思想、研究的方法上都有所不同。例如,层子模型认为物质可以不断地分割,同时有实验的依据,而夸克模型不是这样的;又如,盖尔曼当时提出夸克模型只是追求数学上的完整性,夸克是不是实体与研究无关,但层子模型一开始就认为层子是个实体,是由它们组成基本粒子(特别是强子)的;再如,夸克模型是个唯象性模型,它只是设法说明现象,而层子模型除这一点以外,它还研究层子在强子内部运动的动力学机制和基础。由此可见,从研究的艺术和方法来说,层子模型的研究已经从唯象方法走上唯理的研究,研究层子的动力学基础和机制就是一个例证。 

 


   当夸克模型、层子模型先后提出以后,不少物理学家就想办法在宇宙中寻找处于自由状态的夸克或层子。实验工作者花了不少心血,设计各种方案,但是一直没能找到夸克或层子。由于近十年一直没能找到,理论工作者就去研究为什么没有自由状态的夸克或层子,各有各的假设,各有各的构想,其中有一批正在美国麻省理工学院学习的研究生和大学生们于1974年提出一个模型来解释为什么找不到自由状态的夸克或层子,这个模型叫“袋模型”。袋模型认为强子好像是一个口袋,里面装有3个夸克(或层子),只要假定没有夸克能穿过袋壁,或说穿过袋壁的夸克流为0,那么所有的夸克(或层子)就被禁闭在强子内部,所以找不到自由状态的夸克(或层子)了。这个想法非常简单,也很朴实,也能解释不少现象,得到了大家的认可。这个模型的提出,它不回答强子为什么是个口袋,而只想解释为什么不存在自由状态的夸克(或层子)。这种理论当然是唯象性的理论,采用的方法也是唯象的方法,用模型的形式表达出来。 

  除了袋模型以外,还有一个称为“弦模型”,它的提出也是采用上述的方法。因为介子由一个夸克和一个反夸克组成,这两者之间有一根“弦”连接着,这根弦好像是一根橡皮带,当两者的距离很近的时候,这一弦就不起作用,夸克或反夸可自由运动;当距离拉长时,这一弦就崩紧了,夸克或反夸克就不能自由运动了;当崩得太紧而使弦断裂时,在断裂口会形成一对夸克和反夸克,使一个介子变成两个介子,不会形成单独的夸克或反夸克。这个设想是受到长磁铁棒的启发而形成的,因为长磁铁棒中间断开后,不会形成磁单极,而变成两根磁铁棒。这个弦模型也是想法解释为什么不存在处于自由状态的夸克。 



综上所述,再一次看出,研究物质结构类的课题,唯象的方法和模型的方法相结合是很重要的入门研究方法,它开始时只解决“是什么”,而不回答“为什么”,“为什么”的问题是以后再来研究的。但层子模型的研究已经开始研究为什么的问题,研究动力学的机制问题了。 

 

基本粒子都是共振态

 

共振态分两类,一类是容易自发衰变的,如强子,一类是相对稳定的,如电子。

 

基本粒子都是共振态,共振态分两类,一类是容易自发衰变的,如强子,一类是相对稳定的,如电子。在高能物理学研究的最前沿,即是物理学,又是哲学。产生基本粒子的外因是物质波的交汇,该处形成“波包”,内因是交汇处发生共振,形成共振态,客观表现为一个基本粒子的被发现。在物理学上叫共振,在哲学上叫因果。共振态揭示了基本粒子存在的秘密。