那些年我们

追过的粒子

大半个月前，不愿意透露姓名的梁天宇同学给各位模友讲了粒子物理的诞生（传送门），然后有很多人呼唤他赶紧出下集。今天，该同学终于完稿，超模君马上编辑好分享出来给模友一睹为快。

粒子物理经历了一系列的发展过程，不过殊途同归，都是在对更加基本的粒子进行研究。我们已经经历了原子的时代，并发现了原子更深层次的结构，但是，这对于我们多彩世界的描述还是远远不够的。粒子物理总是在对粒子进行一再地挖掘，发现其中的奥秘。

那么接下来，我们就介绍几种更为基本的粒子，去了解一下科学家们是如何让那神秘的粒子家族成员一一浮现在我们面前的吧。

奇幻的反粒子与反物质

1923-1926年，非相对论量子力学在这段时间建立起来了。但是相对论量子力学却没有那么顺利。根据相对论一个重要公式：

E

2

=p

2

c

2

+

m

2

c

4

众所周知，平方项都是有正负两个解的。对于上式中的E也不例外。在数学上，E完全可以取到负值。而且，系统会自发向低能方向演化，很自然应该有E取到负值那一刻。

但是我们的实验中，根本就没有取负值的能量，所以许多人认为E的负值只不过是数学上一个小把戏。

但是，狄拉克给出了“海”的概念赋予了负能量的物理含义。正如同正能量所对应的粒子，负能量也有自己对应的粒子，负能量对应的粒子与正能量对应的粒子相反。

比如对于电子，在负能量普遍分布着电子海，他们是均匀的而且不会对其它物体施加净力。

类似于p型半导体一样，如果一个电子缺失，在缺失的地方就会造成一个“空穴”。根据能量守恒，缺失的负能量应该等于等量的正能量，而空穴就是正电子的位置。

顺便一提，狄拉克最初猜想这种空穴可能是质子，但是这要求质子的质量要和电子质量相同。显然他关于空穴的猜想还是有误区的。

Andersen

1931年，Andersen

（安德森）

发现了正电子，证实了狄拉克的假设，但是物理学家并不喜欢“海”这种描述。Feynman

（费曼）

就负能态给出了一种更加简单的解释：负能态是另一种不同粒子的正能态。对每一种粒子必定存在其反粒子。

1955年，负质子在Bevatron对撞机被观测到。

反粒子的标记是在原粒子标记上面加一个“-”，比如质子p，反质子

。正反粒子相遇会发生湮灭，释放大量能量，而能量往往是以高能光子形式散发的。比如：

由于我们日常生活中默认了带负电的电子，于是正电子就被我们认为是电子的反粒子。

这无疑为我们的生活的世界又增添了一份奇幻的色彩。既然每一种粒子都存在其反物质，那么我们生活的世界是不是存在一个“反自己”呢？而我们又是怎么知道我们是我们而不是“反我们”呢？

当粒子遇上反粒子，那是数亿次的回眸不曾相遇的缘分，即便它们注定不能在一起。但是相反的电荷数，总是吸引着彼此，就像难以释怀的诅咒，它们选择了奋不顾身。

在那一瞬间，我们看到了那耀眼的光芒，归于苍穹。但是，那值得吗？

可能当初上帝在创造世界的时候，自己都不知道自己创造了什么，于是创造了人，让人去代替他思考这个世界的规律吧。

令人迷惑的中微子

弱作用的一个典型例子是衰变。在β衰变中，元素A转化为元素B并且释放一个电子，因为电荷守恒，A要比B多一个电子，也就是B比A多一个单位正电荷。同时根据质量守恒，这实际上是A中一个中子转化为B中一个质子。

但是，在1930年中子还没有被发现。人们在做实验的时候，发现了一个神奇的现象，当进行衰变反应的时候，发现衰变出来的电子能量不是一个确定的值并且伴随着很大的起伏。

按理说，当我们给定A、B电子的质量时，根据能量守恒，电子能量就可以确定了，这也就意味着，电子理论计算出的能量应该是一个一定的值。

举个例子，在氚核衰变的时候，衰变出来的电子起伏范围大致在5到15电子伏特。

这种奇特的现象让人很费解，以至于玻尔已经准备放弃能量守恒定律了。但是，泡利却不认为，那么这个“老顽固”又说了什么呢？

他假设一种粒子伴随电子而出，并携带能量，为了保持电荷守恒，这个粒子是电中性的。泡利建议叫它“中子”。这不同于我们现在已知的中子。

之后，Femi

（费米）

考虑把这种粒子引入到β衰变中，对于理论方面取得了巨大成功，解释了能量起伏的原因。

从实验得到的结果来看，这种粒子应该很轻，并且是电中性，所以泡利提出的新粒子“中子”实际上就是我们现在所说的中微子

（这里强调一下，中子和中微子不是一个概念，希望上述的描述没有让你弄混）

。

好了，按照现在的观点，β衰变基本过程是中子衰变出质子和电子以及

（电子的）

反中微子。

到1950年，中微子理论很成熟了，并且让人信服，但是缺少实验的直接证明。怀疑者认为，中微子不过是一个人为设计用来挽救能量守恒定律的粒子。因为中微子与物质相互作用太弱了！

但是最终，中微子仍旧被验证了。

20世纪50年代的时候，南卡罗利娜的萨瓦娜河核反应堆，Cowan和Reines设计了一个实验观测“逆β衰变”。即电子的反中微子和质子反应，出现中子和正电子。他们成功捕获到了极其微弱的正电子，为中微子存在提供了确凿的证据。

为什么上面提到的都是反中微子？

因为不是所有满足能量守恒的反应都会发生的，由于电子是一种轻子，上述反应受到了轻子数守恒定律的制约。

我们定义轻子数L，对于电子、缪子以及它们的中微子轻子数是＋1，它们的反粒子轻子数是－1。反应前后要满足轻子数量相同。

所以对于β衰变，由于衰变前质子轻子数为0，而衰变后电子轻子数为＋1，自然而然反应发生就要求生成的那个粒子轻子数－1，也就是反中微子。

最后给出三种轻子以及他们中微子的一些数据。轻子的轻子数都是＋1，反轻子都是－1。

但是中微子的行为还是如同鬼魅一般，早时候人们认为中微子和光子一样没有质量，直到现在，我们在处理一些问题时仍旧要忽略中微子的质量，因为这样会让问题很简单。

但是中微子严格来说质量很小，特别是中微子振荡，更说明中微子是有质量的。那么中微子质量如何去计算呢？我们又该怎样让鬼魅一般的中微子现形呢？这是粒子物理目前一个热点研究问题。

粒子家族的建立

我们之前介绍了光子、介子、反粒子以及中微子。在相当长一段时间内，人们没有更深一步的发现，就好像粒子物理已经很完善了。

同时，人们认为粒子物理主要问题已经解决，因为汤川的介子，狄拉克的正电子都被证实了，除了泡利的中微子还尚未被确定，但是其理论内容已经被广泛接受了。一切的一切好像在1947年的时候就已经完成了。

但是，还没有怎么过上几天舒服的日子，新的问题又来了。同年12月，罗切斯特和布特勒发布了一张云室照片：宇宙线打到铅板，产生了一个中性粒子，然后衰变成两个带电次级粒子。

经观测，这两个次级粒子是带正电的和带

负电的

。一种新的中性粒子被发现了！而且它的质量至少为π介子的两倍，我们叫它

K

0

介子。

1949年，布朗的小组发现了带正电的K

+

介子的衰变，它会衰变出两个正电的π

+

介子和一个带负电的π

-

介子。自此之后，新的介子如同雨后春笋一般相继被发现了，比如ηφρω等。

1950年，又一种中性粒子被发现了，它会衰变成质子

和带负电的π

-

介子。我们叫它∧。它和质子与中子一样，同属于重子家族。随后，更多的重子，比如∑ΔΞ等重子相继也被发现了。

这段时间是粒子物理发展史的一次较大的革命，这里要说一点，类似于轻子，重子也有一个所谓“重子数守恒”而介子没有。

 
新发现的介子和重子被叫做奇异粒子。它们在很小的时间尺度上大量产生同时衰变相对缓慢。这让我们不得不考虑，它们的衰变和产生的机制是不同的。现在我们知道，这些粒子产生是通过强力，而衰变是通过弱力。

1953年，随着研究的深入，人们发现了一个巧妙的办法。给奇异粒子赋予一个新的特性“奇异数”，它在强作用中守恒而在弱作用不守恒。同轻子数一样，它可以解释为什么一些反应不会发生。比如在π与质子撞击的过程中： 

这几个K携带奇异数S=+1，几个Σ和Λ奇异数S=-1，而普通粒子π、p、n等奇异数S=0，上述反应是可以发生的。但是如果对于衰变反应（弱作用）就不再受奇异数守恒的限制。

从1947年，粒子物理的发展经历了翻天覆地的变化。它从整洁的花园成长为杂乱无章的丛林，特别是这期间奇异粒子雨后春笋般地萌芽。

到1960年，我们看到，粒子家族虽然被建立起来了，但是它们内部体系却是混乱不堪的，没有任何条理性。

虽然每个家族成员都可以通过电荷、奇异数、质量来区分，可正如我们所知，一门学科能否拥有完整的体系，就在于其是否具有一个很好的分类。

正如同元素周期表被创立之前，元素之间的联系是混乱的那样，粒子物理学家期盼着可以像元素周期表一样，给这些粒子也找一个属于自己的“周期表”。

到这里，基本的粒子已经一一浮现在我们眼前了。

粒子之间会碰撞，会湮灭，会散射，会束缚，更多的，还是擦肩而过。茫茫人海中，每天我们与太多的人相遇，每个人都有着各自的方向，彼此互不影响，就像那粒子，飘忽不定，各自有各自的轨迹，究竟是和谁束缚，而终点又是何处呢？

所谓粒子，也无非是我们生活中的缩影罢了。

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