粒子物理学的降生

物质探微 从电子到夸克,邢永忠,一点一点地掀开物质世界的神奇面纱,第二章 粒子物理学的降生,前面所述关于电子、光子、质子、中子的发现史虽然涉及的是人类最早认识的四个基本粒子，但这些研究工作主要还只是为了发展原子物理和原子核物理。正当人们沉醉于似乎已经建成了物质大厦的辉煌成就，沉醉于似乎已经完成了粒子层次基本发现的喜悦中时，20世纪30年代初开始的一系列新粒子的发现为人们展示了粒子层次丰富的物理内容，宣布了粒子物理学的降生。,有负质量粒子吗? 20世纪头四分之一，物理学获得了两大突破。一是相对论的发现，一是量子力学的建立。相对论在高速问题上发展了牛顿力学;量子力学在小尺度(微观)问题上发展了牛顿力学。两者沿着各自的道路向前发展，均获得了极其辉煌的成果。如何将它们二者结合起来，是20世纪20年代末期摆在物理学家面前的一个重大课题。,在相对论中能量E与动量p之间有平方关系。就是说，对于一定动量的粒子，可以有正、负两个能量值 正能范围的最小值为 ，负能 范围的最大值为 ，中间有一个 宽为 的空隙。由于能量与 质量相联系着（质能方程），负能 量意味着负质量。如果一颗子弹是 负质量的，它将射向射击者自己， 这显然是荒谬的。,然而，这种情况在经典物理中并不严重。人们从未见到过负质量物体，未必一定意味着负质量不能存在，而可以只是因为原先存在的物体都是正质量的。在经典物理中，一切运动和变化总是连续的，一个原先为正能量的物体，不可能通过连续变化而越过能隙区变成负能量。但是在量子物理中情况完全不同。量子力学允许有不连续的变化，原来正能量粒子可以跃迁到负能量去。 将量子力学与相对论结合起来而建立的狄拉克 方程(1928年)，一方面相当精确地解释了氢原子光谱，而且自然地解释了电子的自旋为1/2;另一方面，它就存在着这个负能困难。,就是说，狄拉克方程有两种解，有正能解，也有负能解。正能解描述正能量粒子的运动，负能解描述负能量粒子的运动利用狄拉克方程可以算出正能量电子跃迁到负能状态去的几率。比如，一个氢原子中的电子大约在 秒这样的短暂瞬间内就会跃迁到负能状态。因此，所有氢原子中的电子都会在一瞬间全都变为负能电子，完全不符合事实。由此可见，在量子物理中，负能态的存在引起了严重的困难。, 粒子世界的半边天反粒子 负能困难如何排除?这是颇使物理学家伤脑筋的问题。 1930年狄拉克找到了一条出路。狄拉克没有回避负能态的存在，而是直接把真空看做所有负能状态均已被电子填满的状态。根据泡利原理，这时正能电子不可能再跃迁到负能态去，从而解释了未见到过负能电子这一事实。但是，如果负能态上真的填满着电子，只要有足够的能量传递给这些电子，它们就会跃迁到空着的正能态去。既然所有负能态被填满的状态相当于真空，那么负能态上因跑掉 一个电子而留着的空穴就相当于出现了一个正能,粒子。这个粒子除了电荷为正，磁矩与电子相反以外，质量、自旋以及其他性质均与电子一模一样，可称为正电子(这里“正”是指带正电荷)或反电子(这里“反”是指电荷、磁矩等与电子相反)。 就在那个时候(1930年)，赵忠尧在研究由放射性原子核(ThC，即 所放出的高能射线(-2 .61 Mev)被物质吸收的规律时，发现了一种新的现象。这种现象不能用射线与核外电子的作用来解释，它似乎是射线被原子核所吸收的一种过程，当时叫做反常核吸收现象。值得注意的是，在这种过程中会辐射出一种能量约为0.5Mev的光子，而且各向同性(即各个方向辐射强度相等)。这种辐射称为赵忠尧特征辐射。,1932年，安德森(C.D.Anderson)在用云雾室研究宇宙线时摄得了一张照片如图所示。 云雾室的中部是一块6毫米厚的铅 板。粒子穿过铅板时会因为电离碰 撞而损失能量，因而粒子在铅板两 侧的能量是不同的。此云雾室放在 强磁场中，磁场方向指向图的背面。 一个带电粒子的能量愈小，它在磁 场中就弯曲得愈甚，曲率就愈大。 从而，根据铅板两侧粒子径迹曲率的不同，可以判断粒子的运动方向。再根据径迹弯曲的方向，可以判断粒子的电荷。显然，图中所示是一个带正电粒子的径迹。但是，从径迹的粗细和长度来看，它不可能是质子，却应是电子。这张照片使安德森一夜,没有合眼，终于断定它是一个正电子。这是人类发现的第一个反粒子。这一发现使安德森获得了 1936年度的诺贝尔物理奖。 正电子的发现使布拉凯特(P.M.S.Blackett)和奥恰里尼(G.P.S.Occhialini)等人很快弄清楚了赵忠尧特征辐射的本质。实际上， 按照狄拉克理论，一个能量 足够高( )的光子 可以使一个负能电子跃迁到 正能态去，在负能态中留下 一个空穴，其结果是一个高 能光子转化成了电子和正 电子，如图,不过，一个下光子直接转化成一对电子( )不可能同时满足动量和能量守恒定律。这个过程只有在第三者(通常是一个原子核)参与的情况下才能发生，即 这里，虽然原子核X在过程后仍存在，但其动量、能量有了变化，使整个过程中动量、能量得以同时守恒。表观上看y光子似乎是被原子核吸收的，这正是赵忠尧所发现的反常核吸收现象。,虽然正电子本身是稳定的，但在物质中却不会永远存在下去。一般地，它将先与物质中的原子进行许多次电离碰撞而逐步损失能量，变成一个几乎静止的正电子。因为正电子相当于负能态上的一个空穴，如果附近有正能 电子，它就会向这个 空着的负能态跃迁。 其结果，原来的电子 不见了，负能态上的 空穴被填充后变成真 空态，正电子也不见 了。跃迁过程中放出 的能量将转化为光子。 这种过程称为湮没。,一对正、负电子转化为一个光子同样也不能同时满足动量和能量守恒。通常，它们总是转化为两个光子,偶尔也会转化为三个光子。一对几乎静止的正、负电子，其总能量为 。由于动量守恒的要求，两个光子必定以相同的能量朝相反的方向辐射出来。因此，每个光子的能量为 这便是赵忠尧特征辐射。 正电子还会与电子组成一种特别的“原子”，即以正电子取代原子核而组成的“氢原子”，称为正电子素。这种原子有两类，一类正电子与电子的自旋平行，一类反平行。它们均极不稳定，很快就会湮没。,不久，人们又发现，在宇宙线中 可以观察到大量正、负电子对同 时出现的现象。实际上，这是极 高能量的光子产生正、负电子对 ，这些高能正、负电子又与原子 核碰撞而辐射出高能光子，这些 光子又产生正、负电子对， 如此继续下去，就会形成大量正 、负电子。这个现象叫做簇射。 图是赵忠尧摄得的一张簇射照片 。有时，这种簇射甚至可以覆盖 若干平方公里的广大面积，表明 宇宙射线中存在着极高能量的粒 子。,放射性的三种基本形式。 天然放射性中一般只有 放射性(放出 )，人工放射性中还可以有 放射性(放出 和K俘获(原子核从核外K层轨道上吸收一个电子)。这是放射性的三种基本形式。,早在20世纪40年代，何泽慧就曾用放射性同位素 放射出的正电子详细地研究过正电子-电子散射规律，这是与电子-电子散射不同的。1945年11月的Nature杂志上报道了何 泽慧清晰地观测到的这个事例 。图是她所摄得的一张云雾室 照片。照片中碰撞点前后径迹 弯曲的方向相反而弯曲的程度 相近，表明它们是电荷相反而 能量相近的粒子。在这散射过 程中，正电子的大部分能量传 给了电子，碰撞后的正电子已 只有很小能量。,狄拉克的空穴理论意义重大，影响深远。按照狄拉克理论，不仅电子有反电子，质子、中子也应有相应的反粒子，即反质子、反中子，它们也果真在20世纪50年代中期相继被张伯伦(O.Charnberlain)、赛格瑞(E. Segre )等人现，他们因此而获得1959 年度诺贝尔物理奖。事实上一切粒子均有相应的反粒子。时至今日，粒子已经发现二百多，它们都有反粒子(其中也有一些特例，比如光子，它的反粒子就是它自己)。 因此，反粒子有其极为广泛的意义，它们构成了粒子世界的半边天。 反粒子与粒子密切相关。有些性质，反粒子与粒子完全一样，比如它们有严格相等的质量，有完,全相同的寿命。有些性质，反粒子与粒子正好相反，比如反质子与质子的电荷相反。中子虽然不带电，但有其内部电磁结构，反子的内部电磁结构与中子相反，因此，中子的磁矩与其自旋反向，而反中子的磁矩与其自旋同向。 反粒子最突出特点是会与粒子发生湮没。,衰变的能量失窃案 衰变的典型过程是这样的:放射性原子核 在衰变成 时要放出一个 粒子(即电子 )。实验测定了所放出电子的能量，发现它不具有确定的量值。图画出了氚( )的日衰变所放出的电子能量分布。 粒子的能量并不确定，其动能从0到18.6kev均有，只是动能在2-4kev附近的母粒子多些，但有一个明 确的最大能量(约 18.6kev)，超过此 能量的粒子就不 存在。,这个情况与、衰变十分不同，在微观现象中显得非常特别。因为在微观世界中，无论分子、原子或者原子核，各个状态都有确定的能量。至于为什么放出的电子能量不确定?这个情况使物理学家大伤脑筋，甚至引起了像玻尔那样的著名学者也怀疑能量是否守恒。,难道能量真的不守恒吗?,从各种放射性元素所放射的粒子能量的实验测量，都表明虽然粒子能量不确定，但都有确定的最大值。有的放射性元素甚至可以有若干种能谱叠在一起的复杂情形，然而每一种能谱都有其自己 的最大能量。,事实上，只要假定衰变实际放出的能量就是其能谱的最大能量，能量守恒就可以维持，而且与射线的能量测量结果符合得相当好。但是，每次衰变放出的粒子能量一般总小于最大值，那么还有一部分能量到哪里去了呢?这就是衰变中的能量失窃案。,Ni65的衰变图,其实，衰变中不仅有能量失窃，而且角动量也“失窃”了。以,衰变之前只有 ，角动量是1/2,衰变后有 自旋的粒子总角动量只可能是整数，比如1或0。而不可能是半整数。因此，在 的衰变过程中角动量也是不守恒的。 衰变的问题究竟在哪里?1931年泡利设想了一个最自然的办法，他假定衰变过程中还放出了一个难以探测到的中性粒子，自旋为1/2，其质量十分小、甚至可能为0，称 为中微子（记为）。因此，衰变过程应当写成,衰变之前只有 ，角动量是1/2,衰变后有 自旋的粒子总角动量只可能是整数，比如1或0。而不可能是半整数。因此，在 的衰变过程中角动量也是不守恒的。 衰变的问题究竟在哪里?1931年泡利设想了一个最自然的办法，他假定衰变过程中还放出了一个难以探测到的中性粒子，自旋为1/2，其质量十分小、甚至可能为0，称 为中微子（记为）。因此，衰变过程应当写成,中微子失窃案,这里，下标e表示 是与电子e相伴的中微子，上加一横线表示反粒子，其含意以后将会说明。,中微子的归案 泡利的假设简洁明了，使不少实验物理学家千方百计地设法去寻找那个神秘的中微子。中微子不带电，作用微弱，极难测量。寻找中微子踪迹的第一个成功方案是王淦昌在1942年设计的，其基本思 想是这样:如果中微子果真存在，它不仅应当具有能量E，而且也应当具有动量p，它们应当满足确定的关系(即 )。如果实验上能够测定衰变过程中丢失的能量和丢失的动量，看看它们是否符合中微子的能量和动量的这个关系，就可以对中微子的存在与否提供一个明确的回答。,由于中微子难于直接测量，其动量得通过测定其他衰变子体的动量而间接求得。然而， 衰变后共有三个子体，一为电子，一为中微子，一为反冲核。三者的动量、能量关系取决于它们的出射方向，不易测定。”幸好与 衰变属于同类作用的还有“K俘获过程。这种过程中，放射性原子核不是放射电子，而是从最靠近核的K层轨道上吸收一个电子，产生如下过程,这里，衰变后只有两个粒子，一为中微子，一为反冲核，二者的动量是完全确定的。如果选用比较轻的原子核，反冲动量可以比较大，更容易测量些。,根据这个想法，王淦昌建议用 实验。同年，阿伦(J.S.Allen)做了这个 实验，初步证实了中微子的存