粒子物理学的进展

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1、粒子物理学的进展 摘　要：　文章叙述了基本粒子的物理知识、分类、以及粒子物理学研究的发展过程与成就，并论述了21世纪粒子物理学的新发展。关键词:　 粒子物理,标准模型,粒子理论，高能，加速器  一．基本粒子的概念与分类　　世界上的物质形形色色，有好几百万种，它们是由什么组成的呢？有很长一段时间，人们以为构成物质的最小微粒就是原子。　　直至20世纪初，物理学家才发现原子并不是最小的“微粒”它是由原子核和电子组成的，而且原子核还可以分成更小的“小不点儿”．这些“小不点儿”都是原子世界的“居民”它们的种类很多．一开始人们只发现

2、了电子、光子、质子和中子，后来又发现了正电子、中微子、介子、超子、变子等等，物理学家把它们统称为“基本粒子”．基本粒子分为强子、轻子和规范玻色子三大类。（1）强子：可以直接参与强相互作用的粒子统称为强子，它们又按自旋量子数和重子数分为两类。    介子：自旋量子数为零或正整数，重子数为零的强子。重子：自旋量子数为零或正整数加二分之一，重子数为+1或-1的强子。现在已经发现的介子共160种，重子数为+1的138种重子和它们的反粒子（重子数为-1，通常称为反重子）共276种。现在已经发现的粒子总数为452种，其中436种是强

3、子，占了其中的绝大多数。在所有这些强子中，只有质子和反质子是稳定粒子，其他强子在自由状态下都要衰变。有少数几个强子主要是通过电磁相互作用衰变，有一批强子是通过弱相互作用衰变，绝大多数的强子是通过强相互作用衰变。自由中子衰变的平均寿命是887.0秒，但是当中子和质子结合成原子核时，中子就可以成为稳定的了。氘核是由一个质子和一个中子结合而成的，但在氘核中的中子却是稳定的。这是因为质子和中子结合成氘核时，已经放出了大量的能量，这样氘核所具有的能量比一对自由质子和自由中子能量之和要低。如果氘核内的中子衰变，氘核将衰变为两个质子、

4、一个电子和一个反中微子，但是两个质子不能结合成一个复合态，而两个自由质子、一个电子和一个反中微子的能量之和大于氘核所具有的能量，这样就造成氘核实际上不能衰变。正是由于这个原因，尽管自由中子是不稳定的，但是在各种元素的原子核中却有大量的中子稳定地存在着。也正是由于同样的原因，尽管自由质子是稳定的，但和中子一起组成原子核的质子在特殊条件下却可以是不稳定的。例如，钠21原子核可以衰变为氖21原子核加一个正电子和一个中微子，这个过程正是因为有一个组成钠原子核的质子衰变成一个中子加一个正电子和一个中微子，而这个中子仍然留在原子核内

5、作为组成氖原子核的中子，并不成为自由中子飞出来。（2）轻子：不直接参与强相互作用的粒子已经发现的带电轻子有3种，即电子、子、子，它们都带一个单位的负电荷，还有3种分别和电子、子、子对应的不带电的中性轻子，即3种中微子，它们的静止质量可能都是零。这6种粒子和它们的反粒子（通常称为反轻子）共12种轻子，它们的自旋都是1/2。子是1975年发现的重要粒子，不参与强作用，属于轻子，但是它的质量很重，是电子的3600倍，质子的1.8倍，因此又叫重轻子。电子是最早被发现的带电轻子，后来到1936年又在宇宙线实验上发现了子后，人们发现

6、电子和子的相互作用性质完全相同，它们都是带一个负电荷的自旋量子数为1/2的粒子，都是不直接参与强相互作用，但都可以直接参与电磁相互作用和弱相互作用，并且相互作用行为完全相同。它们之间的唯一的不同在于质量不同，子的质量是105.658389MeV，即是电子的206.7683倍。它们运动行为的不同都可以归结为来自于质量的不同，子可以被看作是一个“重电子”。为什么相互作用性质完全相同的电子和子质量差206.7683倍，这就成为粒子物理发展中的一个重大的理论疑难问题，称为е-疑难。人们曾经推测，可能子能参与某种新的相互作用，而电

7、子不能直接参与这种新的相互作用，这种新的相互作用性质造成它们之间质量上的差别。如果是这样的话，这种相互作用会造成206.7683倍电子质量的质量差，它应该是远比电磁相互作用要强得多的相互作用。对子进行了大量的细致的实验研究来寻找存在这种新的相互作用的证据，始终没有找到。这个疑难问题一直没有解决，又发现了子，它的相互作用性质和电子以及子完全相同，然而它的质量是1777.1MeV，是子的16.8193倍，是电子的3477.7倍，过去的е-疑难又发展成为三代轻子问题。е-疑难提出时的依据是电子和子的相互作用性质完全相同，它们都

8、不直接参与强相互作用，电磁相互作用性质相同反映在它们都带一个单位负电荷上，弱相互作用性质相同反映在它们参与的弱相互作用行为相同和耦合常数相同上。这个情况又称为带电轻子弱相互作用的普适性。子发现后，这种情况再次出现显示出电子、子和子的弱相互作用性质具有普适性，е-疑难又发展成为三种带电轻子弱相互作用普适性的问题和三代轻