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粒子物理

为了解释$\beta$ 衰变，并理解中子的内部结构，物理学的一个新分支诞生了，即粒子物理。探索亚原子粒子结构的唯一方法是用其他粒子撞击它们，以击出它们的组成部分。简单的逻辑是：冲击力越大，就能击出越小的部分。

最初，用来撞击其他粒子的唯一高能粒子来源是宇宙射线。地球不断受到来自外太空的各种粒子的轰击。大气层保护我们免受大多数宇宙射线的影响，但仍有许多射线到达地面。

反粒子

1932 年，卡尔·安德森使用气泡室研究宇宙射线时，拍摄到两条对称的带电粒子轨迹的照片。对轨迹曲率的测量表明，一条轨迹属于电子，另一条是由一个质量相同，但电荷相等且为正的粒子产生的。这些粒子是在宇宙$\gamma$ 量子与原子核发生碰撞时产生的。

发现的粒子被称为正电子，表示为$e^{+}$，以区别于有时表示为$e^{-}$ 的电子。这是发现的第一个反粒子。后来，人们发现每个粒子都有其镜像，即反粒子。为了表示反粒子，在粒子符号上加一个横线。例如，${\bar {p}}$ 是反质子，它与普通质子具有相同的质量，但带负电。

当一个粒子与它的镜像发生碰撞时，它们就会湮灭，即完全燃烧殆尽。在此碰撞中，它们的全部质量会转化为电磁能量，以$\gamma$ 量子的形式释放出来。例如，如果电子与正电子发生碰撞，可能会发生以下反应

${\begin{matrix}e^{-}+e^{+}\,\longrightarrow \,\gamma +\gamma \ ,\end{matrix}}$

其中需要两个光子来守恒系统的总动量。

原则上，稳定的反物质可以存在。例如，${\bar {p}}$ 和 $e^{+}$ 可以形成一个反氢原子，它与普通氢原子具有完全相同的能级。在实验中，已经获得了反氦原子。它们的问题是，在普通物质的包围下，它们无法存活很长时间。与普通原子发生碰撞，它们会很快湮灭。

有人推测，我们的宇宙在粒子与反粒子方面应该是对称的。事实上，为什么物质应该优先于反物质？这意味着在某个非常遥远的地方，一定存在着等量的反物质，即反宇宙。你能想象它们相遇会发生什么吗？

μ 子、介子和其他粒子

在又一次宇宙射线实验中，科学家于1935年发现了一种与电子具有相同性质但质量约为电子 207 倍的粒子。该粒子被命名为μ子，符号为$\mu$。长期以来，μ子被认为是世界图景中多余的粒子。直到现代理论将μ子作为物质组成部分和谐地包含在内（参见基本粒子：夸克和轻子）。

同样无穷无尽的宇宙射线在1947年揭示了$\pi$ 和 $K$ 介子。 $\pi$ 介子（或简称为π介子）在理论上被汤川秀树预测了12年，作为核子之间强相互作用的媒介。然而，$K$ 介子是意想不到的。此外，它们表现出非常奇怪的行为。它们只能成对产生。逆过程（即衰变）的概率是$10^{13}$ 倍低于它们的产生概率。

有人建议这些粒子具有新的类型的电荷，称为奇异性，它在强相互作用中守恒。当一对这样的粒子产生时，其中一个具有奇异性$+1$，另一个具有$-1$，因此总奇异性保持为零。当衰变时，它们会单独作用，因此奇异性不守恒。根据建议，这只能通过弱相互作用实现，弱相互作用远弱于强相互作用（参见第基本粒子：自然力节），因此衰变概率要低得多。

粒子物理学的黄金时代始于20世纪50年代，当时粒子加速器出现了，这些机器可以产生具有高动能的电子或质子束。有了这样的粒子束，实验人员可以计划实验并重复实验，而宇宙射线则完全依赖于偶然性。当加速器成为探索的主要工具时，粒子物理学获得了它的第二个名字，即高能物理学。

在过去半个世纪中，实验人员发现了许多新的粒子（表15.5中列出了一些粒子），很明显它们不可能都是基本粒子。当它们相互碰撞时，会产生其他粒子。粒子之间的相互转化是它们的主要属性。

表：不同粒子家族的一些代表。 家族 粒子 符号 质量（MeV） 平均寿命（s） 光子 光子 $\gamma$ 0 稳定 电子 $e^{-}$，$e^{+}$ 0.511 稳定 μ子 $\mu ^{-}$，$\mu ^{+}$ 105.7 $2.2\times 10^{-6}$ 轻子 τ子 $\tau ^{-}$，$\tau ^{+}$ 1777 $10^{-13}$ 电子中微子 $\nu _{e}$ $\sim 0$ 稳定 μ介子中微子 $\nu _{\mu }$ $\sim 0$ 稳定 τ中微子 $\nu _{\tau }$ $\sim 0$ 稳定 π介子 $\pi ^{+}$, $\pi ^{-}$ 139.6 $2.6\times 10^{-8}$ π介子 $\pi ^{0}$ 135.0 $0.8\times 10^{-16}$ K介子 $K^{+}$, $K^{-}$ 493.7 $1.2\times 10^{-8}$ K介子 $K_{S}^{0}$ 497.7 $0.9\times 10^{-10}$ 强子 K介子 $K_{L}^{0}$ 497.7 $5.2\times 10^{-8}$ η介子 $\eta ^{0}$ 548.8 $10^{-18}$ 质子 $p$ 938.3 稳定 中子 $n$ 939.6 900 Λ粒子 $\Lambda ^{0}$ 1116 $2.6\times 10^{-10}$ Σ粒子 $\Sigma ^{+}$ 1189 $0.8\times 10^{-10}$ Σ粒子 $\Sigma ^{0}$ 1192 $6\times 10^{-20}$ Σ粒子 $\Sigma ^{-}$ 1197 $1.5\times 10^{-10}$ omega $\Omega ^{-}$ 1672 $0.8\times 10^{-10}$

物理学家面临着粒子分类问题，类似于动物、植物和化学元素分类的问题。第一种方法非常简单。根据粒子的质量，将粒子分为四组：轻子（轻粒子，如电子），介子（中等质量，如π介子），重子（重粒子，如质子或中子）和超子（非常重的粒子）。

然后人们意识到，根据粒子通过弱力、电磁力和强力的相互作用能力，将粒子分为三个家族将更合乎逻辑（除此之外，所有粒子都会相互体验引力）。除了引力相互作用外，光子（$\gamma$ 量子）只参与电磁相互作用，轻子参与弱力和电磁相互作用，而强子能够通过自然界的所有力相互作用（见 基本粒子：自然力）。

除了奇异性的守恒外，还发现了其他几个守恒定律。例如，轻子数是守恒的。这就是为什么在反应 (15.6) 中，我们在最终状态下有一个电子（轻子数 $+1$）和反中微子（轻子数 $-1$）。类似地，重子数在所有反应中都是守恒的。

寻找中子的组成部分的探索带我们走向了意想不到的东西。我们发现有数百种不同的粒子可以从中子中击出，但它们都不是中子的组成部分。实际上，中子本身可以从其中的一些粒子中被击出！多么混乱！实验者的进一步努力无法找到秩序，最后是由理论学家发现的，他们引入了夸克的概念。