1、 物理学大师与发展论文在听过了北京航天航空大学物理科学与核能工程学院的沈成平教授关于高能粒子物理实验的讲座之后，我对高能粒子物理产生了不少兴趣，就从这方面浅谈一下我在物理学大师与发展这门课程上的收获吧。在当今 21 世纪的今天，自然科学的研究有这三个最重要的发展前沿：一是物质基本结构，二是宇宙的起源与演化，最后就是生命的起源及其本质。其中物质基本结构和宇宙的起源与演化代表着粒子物理与宇宙学的联合与交叉，而生命的起源与本质则为粒子物理的研究提供关键的研究手段。在上课之初，沈成平教授提出了这样的两个问题：世界是由什么组成的?世界又是如何组成的？在哲学家与诗人等人的眼里，这可能是个没有标准的问题，每
2、个人都会有不同的答案，正如一千个人眼中就有一千个哈姆雷特。课堂上的我们也许都有点文青的气质，得出了诸如“世界是由我们的心灵构成的” ， “世界是由大地，海洋，天空与生命构成的”等等答案，实在是有辱理科生这个头衔。其实答案很简单，在物理学中，世界是由最小单元组成的，正是它们的相互作用使大地成型，海水出现，气体散逸，才有了生命的诞生，完整的组成了我们现在的世界。就像生物是由细胞组成的，而细胞是由分子组成的，分子是由原子（C，H，O，N）组成的，而到目前为止人类发现了 116 种基本粒子。德谟克里特，提出“原子”概念；1897 年，汤姆孙发现电子，现代粒子物理开端；1911 年，卢瑟福提出原子核式结
3、构并获得诺贝尔化学奖；1964年 Gell-Mann 和 Zwig 对粒子进行了重新分类，引入了“夸克”的概念，即分数电荷：1964 年，Gell-mann 假定一百多种 “基本粒子”只由三种夸克 u，d， s 及其反粒子 u, d , s 构成。u，d，s 满足 SU(3)对称，他们的电荷分别为质子电荷的(2/3，-1/3， -1/3)。介子(p，K，r)、重子(p , n , L , S) 都可由 SU(3)来表示构造:介子由（qq ）构成，重子由（qqq）构成。1969 年，美国斯坦福直线加速器中心验证了夸克的存在，并在普通物质或宇宙线中发现了能够证明上夸克、下夸克和奇异夸克存在的证据。
4、1974 年，美国丁肇中实验组和Richter 实验组，各自独立地发现由一对正反粲夸克组成的介子，从而证实了粲夸克的存在，分享了 1976 年的诺贝尔物理学奖。1977 年，美国 Lederman 领导的实验组发现了底夸克存在的证据。1994 年，费米实验室发现了顶夸克。有充分的实验证据表明每种夸克还有三种不同的颜色，实际上夸克共有 18 种( u , d , s , c , t , b )3，颜色只是一种量子数，并非真是通常的颜色。轻子就是不参与强相互作用的费米子，它们参与弱相互作用与电磁作用。它们的自旋为 1/2。至今实验上还没有发现轻子有任何结构，所以通常被认为自然界最基本的粒子之一。已
5、经发现的轻子包括电子、m子、t 子三种带一个单位负电荷的粒子，分别以 e-、 m-、 t-表示，以及它们分别对应的电子中微子、 m 子中微子、 t 子中微子三种不带电的中微子，分别以 ne、n m 、 nt 表示。加上以上六种粒子各自的反粒子，共计 12 种轻子。1897 年，英国物理学家 Thomson 发现电子，因此荣获1906 年诺贝尔物理学奖。这是人类认识的第一个基本粒子。1937 年，Anderson 和 Neddermeyer 发现 m 子。1953 年，美国物理学家 Reines 和Cowan 一起发现了电子型中微子，因此获得了 1995 年诺贝尔物理学奖。1962 年美国哥伦比
6、亚大学的 Lederman 等人，在布鲁克海文国家实验室里，发现 m 子型中微子，并且发现中微子有不同类型，因此获得了 1988年诺贝尔物理学奖。1975 年，美国物理学家 Perl 等人的实验发现了重轻子即 t 轻子，因此获得了 1995 年诺贝尔物理学奖。2000 年，由美日韩希腊等国 54 人组成的国际科研小组，利用美国费米实验室的加速器经过 3 年的合作研究，首次发现了表明 t 中微子存在的直接证据。至此，粒子物理学标准模型中的 12 种基本粒子经百余年的探索，终于被人类全部发现。 而基本粒子是如何组成物质的呢？也就是问基本粒子之间的相互作用是什么?其实相互作用就是我们平时常说的“力”
7、 ，基本粒子之间的相互作用分为四种力：强力、电磁力、弱力和引力。夸克间或轻子间通过弱相互作用互相转化；夸克间通过强相互作用形成质子和中子进而形成原子核；原子核与电子通过电磁相互作用形成原子及万物；万物通过引力相互作用形成了宇宙。什么是传播子？传递物质之间相互作用的粒子被称为传播子：强相互作用传播子为胶子，目前实验上已有胶子存在的证据；弱相互作用传播子为中间玻色子，1983 年，C. Rubbia 在正反质子对撞实验中找到了弱作用的媒介粒子 W 和 Z；电磁相互作用传播子为光子，光电效应现象的发现表明光子也可看成粒子；引力相互作用传播子为引力子，实验上尚未发现引力子。如果存在引力子，也就在一定程
8、度上解释了万有引力的本源。而至今未发现引力子存在的证据。强相互作用是作用于强子之间的力，是所知四种宇宙间最强的基本作用力，其作用距离很短(大约在 10-15 m 范围内)。核子间的核力就是强相互作用，它抵消了质子之间强大的电磁力，维持了原子核的稳定。现在物理学家认为强相互作用的产生与夸克、胶子有关。 有两种弱相互作用，一种是有轻子(电子 e，中微子 n，m 子以及它们的反粒子)参与的反应，如 b 衰变, m 子的衰变以及 p 介子的衰变等；另一种是 K 介子和 L 超子的衰变。这两种弱相互作用的强度相同，约为强相互作用的 1/1012，相互作用时间约为 10-610 -8 s 。引力造就了我们
9、的宇宙结构；电磁力决定我们周围丰富多彩的世界；弱力导致太阳发光；强力为我们带来了幸福，也带来了危机。1895 年Wilhelm Conrad Rntgen 发现 X 射线；1897 年 Joseph John Thomson 发现电子；1919 年，Ernest Rutherford 发现质子；1930 年，Wolfgang Ernst Pauli 提出中微子假设；1932 年，James Chadwick 发现中子；1932 年，Carl David Anderson 发现正电子；1937 年，Anderson 和Seth Neddermeyer 发现了 m 子；1947 年，Cecil F
10、rank Powell 发现 p 介子(真正的汤川介子)；1947 年及之后，发现一大批奇异粒子 K+,K0,K-,S+,0,-等；1948 年，美国的劳伦斯-伯克利实验室利用同步回旋加速器(Synchro-Cyclotron)人工产生了 p 介子；1955 年，Emilio Gino Segr和 Owen Chamberlain 在 Berkerley 的 Bevatron 上发现了反质子的存在；1957 年，杨振宁和李政道发现宇称不守恒；1964 年，Murray Gell-Mann和 George Zweig 分别独立提出强子结构的夸克模型；1964 年，Sheldon Lee Glas
11、how，Steven Weinberg 和 Mohammad Abdus Salam 从规范理论出发建立的弱电统一理论标准模型；1964 年，Val Logsdon Fitch 和J.W. Cronin 实验研究 K0介子的衰变，观察到 CP(T)对称性的破坏；1973 年，CERN 在中微子实验中观测到 弱作用中性流；1974 年，S. 丁肇中和 B. Richter 分别独立发现了新的 J/y 粒子，宣告了 charm 夸克的问世；1983 年，C. Rubbia 在正反质子对撞实验中找到了弱作用的媒介粒子 W 和 Z已知的基本粒子分为两个家族夸克(Quarks)和轻子(Leptons)，
12、这两个家族各有六个成员，分为三代。第一代的粒子质量最轻，而第三代的粒子最重。还有四种传递相互作用的传播子(Mediator)，用于传递粒子之间的相互作用。现存宇宙间的物质，主要是由第一代的基本粒子组成，而第二第三代粒子大多已经衰变成第一代基本粒子。如今的粒子物理学前沿，基本粒子在加速器与探测器方面得到了广泛应用，比如电子管电视中就有最常见的加速器。粒子探测器的发展史也是颇为曲折：粒子探测器历史的开端：1895 年伦琴在无可见光条件下发现胶片感光从而发现 X 射线和 1986 年贝克勒尔由钾铀硫酸盐使感光片变黑的现象发现了 b 射线。1911 年，卢瑟福用显微镜观察到单个 a 粒子在硫化锌上引起
13、发光-闪烁计数器的雏形。1919 年，卢瑟福用类似荧光屏探测器第一次观察到用 a 粒子轰击氮产生氧和质子的人工核反应。20 世纪 20 年代到 60 年代出现了核乳胶、云雾室、火花室、流光室、气泡室等径迹探测器以及电离室、正比计数管、盖格计数管和闪烁计数器等电子学探测器。现在高能量和高粒子束流强度的加速器亮度非常高，即每秒钟产生的事例数非常大(计数率高达 107次)，这要求粒子探测器具有非常好的时间响应。高能下末态粒子种类多，对它们都有好的分辨要求将各种类型的探测器联合使用。与多路电子学配合使用的多丝正比室、漂移室、各种电磁和强子量能器和 NIM 系统及 CAMAC 总线系统等的发展，出现各种用于加速器实验的综合多粒子谱仪和非加速器实验的大型电子学探测器阵列。如今我们对探测器的应用主要有如下几个方面：顶点探测器、径迹探测器、飞行时间探测器、电磁量能器、强子量能器、m 子探测器等，目前这些探测器的主要目的为探测粒子起始顶点、飞行径迹、动量、电离能损、飞行时间、沉积能量、击中与否。一个粒子物理实验要求全方位记录粒子以上多种或全部信息，这要求整个探测器要由以上多种子探测器组合而成，因而一般都非常大。
