量子色动力学(qcd)历史

1932 年查德威克(J. Chadwick)发现了中子，接着海森堡(Heisenberg)提出了原子核是由质子 和中子构成的模型。自然界中存在三种基本粒子：质子、中子、电子。原子是由原子核和 绕核运转的电子组成，自然界万物就是由这三种基本粒子构成的。然而，当时一个很大的 困惑是质子和中子如何才能紧密结合在 10-13 厘米大小的原子核中，试图利用当时已知的 电磁相互作用和弱相互作用来解释都不能自圆其说。1935 年汤川提出了质子和中子是通过 交换一种未知的介子(其质量介于质子和电子之间)形成原子核内很强的束缚力，这种介子 称为 p 介子，其质量大约为 100-200MeV，它与交换无质量光子的电磁力不同是短程力， 这就开创了强相互作用的历史。一年后，1936 年安德森(C. Anderson)在宇宙线中发现了一 种粒子，其质量为 105MeV，后来知道这是只参弱相互作用的 m 子。直到 1947 年鲍威尔 (C. Powell)才发现了参与强相互作用的 p 介子。汤川的强相互作用理论可以与电磁相互作用类 比，所不同的是交换的 p 介子是有质量的。然而当人们将汤川理论与核力实验相比较时就 发现有效相互作用强度远远大于 1，这要比电磁相互作用 大很多，因此微扰理论不再适用，高阶项的贡献不仅不能忽略，而且使得整个 理论计算变成无意义。 五十年代，随着高能加速器的发展，从加速器实验中发现了一大批参与强相互 作用的粒子，到五十年代末六十年代初已发现了一百多种参与强相互作用的粒 子，统称为强子，它们的寿命极短。显然仅由质子、中子、p 介子描述的强相 互作用理论是不完备的。同时，理论上放弃微扰论，而发展不依赖于微扰展开 的 S-矩阵理论和公理化场论也有了相当的发展。特别值得提出的是对称性理论 的发展极为重要，六、七年代初发现这一百多种强子可以按 SU(3)对称性表示 很好地进行分类，这种分类非常像原子按门捷列夫周期表分类一样。加速器实 验的发展还发现了质子不是一个点而是有一定大小内部结构的粒子。所有这些 实验结果都导致 1964 年盖尔曼(M. Gell-Mann)和茨维格(Zweig)提出了所有强 子都由三种夸克(上夸克 u、下夸克 d 和奇异夸克 s)组成的，这就是夸克模型。 不久建立了非相对论夸克模型、相对论性层子模型、以及相对论性夸克模型等 理论描述强子内部结构。所有这些模型都没有涉及到强相互作用动力学理论。 然而人们已在尝试以自由夸克量子场论去探讨强子唯象学的物理规律，例如六 十年代发展的流代数在当时就起了重要作用。 夸克模型成功地将强子谱进行了分类并解释了大量的实验事实。1967 年美国斯 坦福直线加速器中心(SLAC)在电子打质子的深度非弹性实验中发现了无标度规 律(scaling law)。1990 年诺贝尔物理奖颁发给这一规律的发现者 J. Friedman, H. Kendall 和 R. Taylor)。布约肯(J. Bjorken)首先认识到无标度规律意味着 大动量迁移下电子是与质子内许多无相互作用自由的点粒子相互作用。费曼(R. Feynman)称质子内的这些点粒子为部分子(Parton)。随后的实验和理论深入研究表明这些部分子就是价夸克和海夸克(夸克反夸克对)，建立了所谓的夸克 一部分子模型，很好地解释了当时的实验现象，这就告诉人们在动量迁移足够 大时，质子内的部分子具有渐近自由的现象。在夸克模型成功的同时，人们为 了解释统计性质问题引入了“色”自由度，即假定每种夸克除了味(u、d、s 以 及后来发现的粲夸克 c、底夸克 b 和顶夸克 t)不同外还具有三种不同颜色(红 r 、绿 g、兰 b)，由此就可以在夸克模型里，强子遵从相应的费米和玻色统计。 每一种夸克含有内部空间(色空间)自由度，即有三种不同的色，不同色夸克之 间的强相互作用是通过传递带色的胶子而发生的。轻子不具有内部色空间，它 不参与强相互作用。这种“色”自由度的引入立即获得了实验上的证实，例如 p°®gg 衰变几率以及 e+e-对撞中 R 值的测量，即一方面在夸克模型里 R 值可以直接计算其中 Nf 是夸克的“味”数，Nc 是夸克的“色”数。另一方面实验上可以在正 、负电子对撞机实验中精确的测量 R 值。早期在 Q2<3GeV2 下的实验证实了“ 色”Nc=3，后来北京谱仪(BES)近几年来的实验都证实了这一结论。 实验上无标度规律的发现以及布约肯在理论上的发展意味着夸克之间很强的相 互作用在大动量迁移下变弱，具有渐近自由的特点。这些结果对粒子物理的影 响是深远的，人们接着的问题什么样的强相互作用理论具有渐近自由的特点? 电磁相互作用的基本理论是量子电动力学(QED)，人们测量到的电荷是屏蔽以后的有效相互作用，即在小动量迁移下(汤姆逊极限)下确定的，在 QE D 理论中以重整化图象来描述，随着动量迁移 Q2 的增加，有效耦合常数(电荷 e)随 之变化而增大。这样一个行为是由重整化理论中的 b 函数完全确定，在 QED 中 b 函数是正的，有效耦合随能量增加而增大，正、反电子对屏蔽电荷，当 Q2 很大时，探测电荷的波长很短，直接探测到未被屏蔽的电荷，其电荷自然增大 。因此，QED 理论不具有上述渐近自由的特点，人们推测只有具有 b 函数为负 的量子场论才是给出渐近自由特点的强相互作用理论。1972 年射曼切克(Syman zik)和特霍夫(¢t Hooft)在马赛的国际会议上注意到非阿贝尔规范理论(QCD 是 阿贝尔规范理论)有可能具有负 b 函数的性质,但他们没有继续做下去。旅美华 裔科学家徐以鸿(A. Zee)也做了类似的计算。普林斯顿大学的格罗斯小组和哈佛大学的柯尔曼(S. Coleman)小组研究了所有可能的量子场论以发现什么样的理论可以具有渐近自 由的性质。1973 年春天，格罗斯和他的学生维尔切克以及波利策尔(柯尔曼的学生)分别在 Phys. Rev. Lett.上发表了两篇划时代的论文,提议了 SU(3)色规范群下非阿贝尔规范 场论可以作为强相互作用的量子场论,其 b 函数是负的, 具有反屏蔽性质使得有 效耦合常数随着 Q2 增大而减小, 即渐近自由性质。在这一场论中强相互作用的媒介子是 无质量的胶子。在 QED 中媒介子是光子, 它是电中性的, 然而这里胶子不是色 中性的, 正是由于胶子带色荷, 因此胶子之间有相互作用从而产生反屏蔽效应, 决定了强相互作用的渐近自由性质。由于他们三人发现了这一性质, 导致建立 了强相互作用量子场论量子色动力学(QCD)理论。2004 年诺贝尔物理奖颁发 给美国格罗斯(D.J. Gvoss)、泡利策尔 (H.D. Politzer)和维尔切克(F. Wilczek)三位科学家, 以奖励他们在 1973 年发现了强相互作用的渐自由性质, 这一性质对认识自然界中强相互作用本质极为重要。