高能物理学.doc

1、高能物理学求助编辑百科名片粒子物理学高能物理学又称粒子物理学或基本粒子物理学，它是物理学的一个分支学科，研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构性质，和在很高的能量下，这些物质相互转化的现象，以及产生这些现象的原因和规律。它是一门基础学科，是当代物理学发展的前沿之一。粒子物理学是以实验为基础，而又基于实验和理论密切结合发展的。目录理论发展历史 高能物理学现状理论发展历史 高能物理学现状展开编 辑 本 段 理 论 发 展 历 史原 子 概 念两 千 多 年 来 人 们 关 于 物 质 是 由 原 子 构 成 的 思 想 ， 由 哲 学 的 推 理 ， 变 成 了科 学 的 现 实 ， 而 且

2、在 这 个 阶 段 终 了 时 ， 形 成 了 现 代 的 基 本 粒 子 的 思 想 。 原 子 的 概 念 ， 是 由 2400 年 前 的 希 腊 哲 学 家 德 谟 克 利 特 ， 和 中 国 战 国 时代 的 哲 学 家 惠 施 提 出 来 的 。 惠 施 说 “至 小 无 内 ， 谓 之 小 一 ”， 意 思 是 最 小的 物 质 是 不 可 分 的 。 这 个 最 小 的 单 元 ， 也 就 是 德 谟 克 利 特 称 为 原 子 的 东 西 。但 是 他 们 都 没 能 说 明 原 子 或 “最 小 的 单 元 ”具 体 是 什 么 。 之 后 的 两 千 多 年间 ， 原 子

3、 这 个 概 念 ， 只 停 留 在 哲 学 思 想 的 范 畴 。 证 实 原 子1897 年 ， 汤 姆 逊 在 实 验 中 发 现 了 电 子 ， 1911 年 卢 瑟 福 由 粒 子 大 角度 弹 性 散 射 实 验 ， 又 证 实 了 带 正 电 的 原 子 核 的 存 在 。 这 样 ， 就 从 实 验 上 证明 了 原 子 的 存 在 ， 以 及 原 子 是 由 电 子 和 原 子 核 构 成 的 理 论 。 1932 年 ， 查 德 威 克 在 用 粒 子 轰 击 核 的 实 验 中 发 现 了 中 子 。 随 即 人 们认 识 到 原 子 核 是 由 质 子 和 中 子 构

4、成 的 ， 从 而 得 到 了 一 个 所 有 的 物 质 都 是 由 基本 的 结 构 单 元 质 子 、 中 子 和 电 子 构 成 的 统 一 的 世 界 图 像 。 基 本 粒 子就 在 这 个 时 候 开 始 形 成 了 现 代 的 基 本 粒 子 概 念 。 1905 年 ， 爱 因 斯 坦 提出 电 磁 场 的 基 本 结 构 单 元 是 光 子 ， 1922 年 被 康 普 顿 等 人 的 实 验 所 证 实 ， 因而 光 子 被 认 为 是 一 种 “基 本 粒 子 ”。 1931 年 ， 泡 利 又 从 理 论 上 假 设 存 在 一种 没 有 静 止 质 量 的 粒 子

5、中 微 子 (严 格 地 讲 是 反 中 微 子 ， 中 微 子 的 存 在 是1956 年 由 莱 因 斯 和 科 恩 在 实 验 上 证 实 的 )。 相 对 论 量 子 力 学 预 言 ， 电 子 、 质 子 、 中 子 、 中 微 子 都 有 质 量 和 它 们 相 同的 反 粒 子 。 第 一 个 反 粒 子 正 电 子 是 1932 年 ， 安 德 森 利 用 放 在 强 磁 场 中的 云 室 记 录 宇 宙 线 粒 子 时 发 现 的 ， 50 年 代 中 期 以 后 陆 续 发 现 了 其 他 粒 子 的反 粒 子 。 相 互 作 用随 着 原 子 核 物 理 学 的 发 展

6、， 发 现 除 了 已 知 的 引 力 相 互 作 用 和 电 磁 相 互 作用 之 外 ， 还 存 在 两 种 新 的 相 互 作 用 强 相 互 作 用 和 弱 相 互 作 用 。 1934 年 ， 汤 川 秀 树 为 解 释 核 子 之 间 的 强 作 用 短 程 力 ， 基 于 同 电 磁 作 用的 对 比 ， 提 出 这 种 力 是 由 质 子 和 (或 )中 子 之 间 交 换 一 种 具 有 质 量 的 基 本 粒子 介 子 引 起 的 。 1936 年 ， 安 德 森 和 尼 德 迈 耶 在 实 验 上 确 认 了 一 种 新 粒子 ， 其 质 量 是 电 子 质 量 的 20

7、7 倍 ， 这 就 是 后 来 被 称 为 子 的 粒 子 。 子是 不 稳 定 的 粒 子 ， 它 衰 变 成 电 子 、 一 个 中 微 子 和 一 个 反 中 微 子 ， 平 均 寿 命 为百 万 分 之 二 秒 。 对 称 理 论汤 川 最 初 提 出 的 介 子 的 电 荷 是 正 的 或 负 的 。 1938 年 ， 凯 默 基 于 实 验 上发 现 的 核 力 的 电 荷 无 关 性 的 事 实 ， 发 展 了 稍 早 些 时 候 出 现 的 同 位 旋 的 概 念 ，建 立 了 核 力 的 对 称 性 理 论 。 1947 年 ， 孔 韦 尔 西 等 人 用 计 数 器 统 计

8、 方 法 发 现 子 并 没 有 强 作 用 。1947 年 鲍 威 尔 等 人 在 宇 宙 线 中 利 用 核 乳 胶 的 方 法 发 现 了 真 正 具 有 强 相 互 作 用的 介 子 ， 其 后 ， 在 加 速 器 上 也 证 实 了 这 种 介 子 的 存 在 。 更 多 发 现从 此 以 后 人 类 认 识 到 的 基 本 粒 子 的 数 目 越 来 越 多 。 就 在 1947 年 ， 罗 彻斯 特 和 巴 特 勒 在 宇 宙 线 实 验 中 发 现 v 粒 子 (即 K 介 子 )， 这 就 是 后 来 被 称 为奇 异 粒 子 的 一 系 列 新 粒 子 发 现 的 开 始

9、。 由 于 它 们 独 特 的 性 质 ， 一 种 新 的 量 子数 奇 异 数 的 概 念 被 引 进 到 粒 子 物 理 中 。 在 这 些 奇 异 粒 子 中 ， 有 质 量 比 质子 轻 的 奇 异 介 子 ， 有 质 量 比 质 子 重 的 各 种 超 子 。 在 地 球 上 的 通 常 条 件 下 ， 它们 并 不 存 在 ， 在 当 时 的 情 况 下 ， 只 有 借 助 从 太 空 飞 来 的 高 能 量 宇 宙 线 才 能 产生 。 这 些 发 现 了 的 基 本 粒 子 ， 加 上 理 论 上 预 言 其 存 在 ， 但 尚 未 得 到 实 验 证 实的 引 力 场 量 子

10、 引 力 子 ， 按 相 互 作 用 的 性 质 ， 可 分 成 引 力 子 、 光 子 、 轻 子和 强 子 四 类 。 为 了 克 服 宇 宙 线 流 太 弱 这 个 限 制 ， 从 50 年 代 初 开 始 建 造 能 量越 来 越 高 、 流 强 越 来 越 大 的 粒 子 加 速 器 。 实 验 上 也 相 继 出 现 了 新 的 强 有 力 的探 测 手 段 ， 如 大 型 气 泡 室 、 火 花 室 、 多 丝 正 比 室 等 ， 开 始 了 新 粒 子 的 大 发 现时 期 。 粒 子 分 类到 了 60 年 代 头 几 年 ， 实 验 上 观 察 到 的 基 本 粒 子 的

11、数 目 已 经 增 加 到 比 当年 元 素 周 期 表 出 现 时 发 现 的 化 学 元 素 的 数 目 还 要 多 ， 而 且 发 现 的 势 头 也 越 来越 强 。 1961 年 ， 由 盖 耳 -曼 及 奈 曼 类 比 化 学 元 素 周 期 表 提 出 了 ， 用 强 相 互 作用 的 对 称 性 来 对 强 子 进 行 分 类 的 “八 重 法 ”。 八 重 法 分 类 不 但 给 出 了 当 时 已 经 发 现 的 强 子 在 其 中 的 位 置 ， 还 准 确 地 预言 了 一 些 新 的 粒 子 ， 如 1964 年 用 气 泡 室 实 验 发 现 的 粒 子 。 八 重

12、 法 很 好地 说 明 粒 子 的 自 旋 、 宇 称 、 电 荷 、 奇 异 数 以 及 质 量 等 静 态 性 质 的 规 律 性 。 在 此 阶 段 中 ， 证 实 了 不 单 电 子 ， 所 有 的 粒 子 ， 都 有 它 的 反 粒 子 (有 的 粒子 的 反 粒 子 就 是 它 自 身 )。 其 中 第 一 个 带 电 的 反 超 子 是 由 中 国 的 王 淦 昌 等 在1959 年 发 现 的 。 此 外 ， 还 发 现 了 为 数 众 多 的 寿 命 极 短 经 强 作 用 衰 变 的 粒 子共 振 态 。 建 立 体 系基 本 粒 子 大 量 发 现 ， 使 人 们 怀 疑

13、 这 些 基 本 粒 子 的 基 本 性 。 基 本 粒 子 的 概念 ， 面 临 一 个 突 变 。 20 世 纪 40 年 代 到 60 年 代 ， 对 微 观 世 界 理 性 认 识 的 最 大 进 展 是 量 子 力学 的 建 立 。 经 过 一 代 物 理 学 家 的 努 力 ， 量 子 力 学 能 很 好 地 解 释 原 子 结 构 、 原子 光 谱 的 规 律 性 、 化 学 元 素 的 性 质 、 光 的 吸 收 及 辐 射 等 等 现 象 ， 特 别 是 当 它同 狭 义 相 对 论 结 合 而 建 立 相 对 论 性 量 子 力 学 以 后 ， 它 已 经 成 为 微 观

14、世 界 在 原子 、 分 子 层 次 上 的 一 个 基 本 理 论 。 但 是 ， 量 子 力 学 还 有 几 个 方 面 的 不 足 ： 它 不 能 反 映 场 的 粒 子 性 ； 不 能 描述 粒 子 的 产 生 和 湮 没 的 过 程 ； 它 有 负 能 量 的 解 ， 这 导 致 物 理 概 念 上 的 困 难 。量 子 场 论 是 由 狄 喇 克 、 约 旦 、 维 格 纳 、 海 森 伯 和 泡 利 等 人 在 相 对 论 量 子 力 学的 基 础 上 ， 通 过 场 的 量 子 化 的 途 径 发 展 出 来 的 ， 它 很 好 地 解 决 了 这 三 个 问 题 。库 什 和

15、 福 里 1947 年 发 现 的 电 子 反 常 磁 矩 ， 和 由 兰 姆 等 发 现 的 氢 原 子 能级 的 分 裂 ， 只 有 通 过 量 子 电 动 力 学 的 重 正 化 理 论 才 能 得 到 正 确 的 解 释 。 今 天 ，量 子 电 动 力 学 已 经 经 受 了 许 多 实 验 上 的 验 证 ， 成 为 电 磁 相 互 作 用 的 基 本 理 论 。并 非 所 有 的 基 本 粒 子 都 是 “基 本 ”的 想 法 ， 最 早 是 在 1949 年 由 费 密 和杨 振 宁 提 出 的 。 他 们 认 为 ， 介 子 不 是 基 本 的 ， 基 本 的 是 核 子 ，

16、 而 介 子 只 是 由核 子 和 反 核 子 构 成 的 结 合 态 。 1955 年 ， 坂 田 昌 一 扩 充 了 费 密 和 杨 振 宁 的 模型 提 出 了 强 子 是 由 核 子 、 超 子 和 它 们 的 反 粒 子 构 成 的 模 型 。 夸 克 命 名1961 年 ， 在 实 验 上 发 现 了 不 少 共 振 态 。 1964 年 ， 已 发 现 的 基 本 粒 子(包 括 共 振 态 )的 种 类 增 加 到 上 百 种 ， 因 而 使 得 盖 耳 -曼 和 兹 韦 克 提 出 ， 产 生对 称 性 的 基 础 就 是 构 成 所 有 强 子 的 构 造 单 元 ， 它

17、们 一 共 有 三 种 ， 并 命 名 为 夸克 。 20 世 纪 60 年 代 以 来 ， 在 宇 宙 线 中 、 加 速 器 上 以 及 在 岩 石 中 ， 都 进 行 了对 夸 克 的 实 验 找 寻 ， 但 迄 今 还 没 有 被 确 证 为 成 功 的 报 道 。 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 。 与 强 子 的 数 目 急 剧 增 加 的

18、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 之 后 ， 长 时 间 内 已 知 的 轻 子 就 只 有 四 种 ， 但 是 到 了1975 年 情 况 有 了 改 变 ， 这 一 年 佩 尔 等 在 正 负 电 子 对 撞 实 验 中 发 现 了 一 个 新 的轻 子 ， 它 带 正 电 或 带 负 电 ， 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 存 在 ， 但 是 尚 未 得 到 实 验 上 的 证 实 。 夸 克 理 论 提 出

19、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 。

20、 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 。 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

21、述 弱 作 用 的 流 在 洛 伦 兹 变 换 下 应 当 具 有 的 形 式 ， 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 。 统 一 理 论1961 年 ， 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 密 耳 斯 在 1954 年 提 出 的 非 阿 贝 耳 规 范 场 论 。 但 是 在 这个 理 论 里 ， 这 些 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

22、 解 答 。 1967 1968 年 ， 温 伯 格 、 萨 拉 姆 阐 明 了 作 为 规 范 场 粒 子 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 末 引 起 人 们的 重 视 。 1973 年 ， 美 国 费 密 实 验 室 和 欧

23、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 ， 鲁 比 亚 实 验 组 等 在高 能 质 子 反 质 子 对 撞 的 实 验 中 发 现 的 特 性 同 理 论 上 期 待 的 完 全 相 符 规 范 粒子 ， 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 。 编 辑 本 段 高 能 物 理 学 现 状目 前 ， 粒 子 物 理 已 经 深 入 到 比 强 子 更 深 一 层 次 的 物

24、质 的 性 质 的 研 究 。 更高 能 量 加 速 器 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 日 前 取 得 的 成 功 ， 特 别 是 弱 规 范 粒 子 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

25、 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 。 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

26、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 话 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 培 养 物 理 学 人 才 将 是 意 义 深 远 的 。 （ 例 如 ： 丁 肇 中 热 心 培 养 中 国 高 能物 理 学 人 才 ， 经 常 回 国 选 拔 年 青 科 学 工 作 者 去 他 所 领 导 的 小 组 工 作 ； 并 受 聘为 中 国 科 学 院 高 能 物 理 研 究 所 学 术 委 员 会 委 员 。 ）