第二章 基本粒子并不“基本”

§2.1 质子和中子靠什么力结合成极小的原子核?

20世纪30年代初, 一个很大的疑难是质子和中子如何才能紧密结合在10−12 cm 大小的原子核中. 原子中原子核带正电,电子带负电,原子核靠电磁力将电子束缚住,使其绕原子核运动.人们试图利用当时已知的电磁相互作用来解释质子和中子结合成原子核的机制,但都不能解释原子核的稳定性和其仅占原子万分之一的尺度. 1935年, 汤川秀树 (H. Yukawa) (见图2.1) 基于同带电粒子之间通过交换光子发生电磁相互作用的类比, 提出了质子和中子通过交换一种未知的介子 (其质量约为 100 ∼ 200 MeV, 介于质子和电子之间,故称为介子) 形成原子核内很强的束缚力的理论. 这种力是短程力, 而交换无质量光子的电磁相互作用是长程力. 汤川秀树的介子交换理论不仅提出了解决核力疑难的方案,而且开创了强相互作用的研究历史. 人们试图在实验上找到这种介子. 1937年, 安德森和尼德迈耶 (S. H. Neddermeyer) 在宇宙线实验中发现了一种新粒子, 其质量是电子质量的 207倍. 一开始人们以为它就是传递核力的 π介子, 后来知道它是不稳定的粒子, 可衰变成电子、一个中微子和一个反中微子, 平均寿命为 2×10−6 s, 自旋为 /2, 被称为 µ 子. 1947年,孔韦尔西(D. Conversi)等人用计数器统计方法发现,µ子并不参与强相互作用. 对此直接的证明,是1948年由中国科学家张文裕 (见图2.2) 用云室研究 µ 子同金属箔直接相互作用得到的. 后来 µ 子和电子以及中微子被归于一类, 统称为轻子. 1947年,鲍威尔(C. F. Powell) (见图2.3)等人在宇宙线中利用核乳胶的方法发现了真正参与强相互作用的π介子, 并因此获得了 1950年诺贝尔物理学奖. 其后, 人们在加速器上也证实了这种介子的存在. 它们的质量约是电子质量的 270 倍, 带有正电荷或负电荷, 被称为 π± 介子. 1950年,不带电的 π0 介子被发现. π 介子的发现证实了强相互作用的汤川介子交换理论,并为一系列实验验证,至今仍是描述核力的有效理论. 汤川秀树于 1949年获得了诺贝尔物理学奖.汤川秀树和后面要提到的朝永振一郎(S. Tomonaga, 1965年获诺贝尔物理学奖) 是 20世纪影响国际物理学发展的两位日本科学家.

图2.1 汤川秀树

图2.2 张文裕

图2.3 鲍威尔

人们分析了原子核能谱以及核子间散射的大量实验数据,在此基础上得到了核力的重要特点——电荷无关性. 所谓电荷无关性是指,在核力中如果忽略质子和中子的微小质量差,略去质子间的库仑力,那么,质子间的作用力、中子间的作用力、中子与质子间的作用力都是相同的. 它们除了电荷不同外其他性质都相同,即质子和中子在强相互作用下的性质与它们是否带电无关.这就是说如果仅考虑强相互作用,那么质子和中子可以视为一种粒子——核子 N(质子和中子的总称) 的二重态, 或者说质子和中子只不过是核子在某种抽象空间中的两种不同取向.卡森(B. Cassen)和康登(E. Condon)于 1936年引入了 SU(2)同位旋空间,将核子 N向上和向下两种取向分别对应于质子态(p)和中子态(n),并分别记为, 它们相应于同位旋 T = 的两个本征态. 这样核子可表示为同位旋空间旋量

其中 p对应同位旋第三分量T3 = , n对应T3 =− . 1938年,凯默(N. J. Kemmer)进一步将同位旋概念扩充到介子场理论中,建立了核力的SU(2)对称性理论.汤川秀树最初提出的介子是荷电的,仅有正、负两种. 凯默理论的直接结果表明,除了带正负电荷的介子之外,还应当有不带电荷的中性π0介子, 三种介子的质量应当相同. 对于 π 介子来讲也有与质子和中子类似的性质,如果略去电磁相互作用, π+,π−,π0 也可以视为同一种粒子,可以认为它们是SU(2)同位旋T =1的三重态.

20世纪40—50年代, 人们只能借助从太空来的高能宇宙线在探测器中的径迹发现新粒子及其性质, 可以说在当时的条件下只能靠天吃饭. 1947年,罗切斯特(G. Rochester)和巴特勒 (C. Butler) 在宇宙线研究云室里发现了源于一点的两条径迹, 呈倒 V 形状. 实验结果表明, 他们发现了一个未知的中性粒子衰变成两个次级带电粒子的过程, 这个中性粒子被称为 V 粒子. 1950年, 安德森从云室照片中证实了 V粒子的发现. 他们在宇宙线中发现的 V 粒子就是后来所说的Λ粒子和K介子. 人们进而发现,K介子寿命长,大约为10−8 s,比依据强相互作用估计的长1000万亿(1015)倍. 因为这种粒子寿命特别长,人们称它们为奇异粒子.

在宇宙线研究中,云室是直观的径迹探测器,但云室在对较高能量的粒子做探测时, 在粒子通过水蒸气时留不下任何径迹. 1952年,格拉泽(D. A. Glaser) (见图2.4左图)发明了泡室探测器. 由于泡室是液体的, 相比气体云室的好处是可以记录径迹很长的高能粒子, 能留下宇宙线粒子和靶核作用的全过程. 后来,阿尔瓦雷茨(L. W. Alvarez) (见图2.4右图)大力发展了泡室技术, 并立即建造了充液氢、液氦等的大泡室. 他还发展了与加速器提供的粒子脉冲同步的数据分析方法,大大提高了探测能力. 随着探测器技术的提高,在液氢泡室中 π− 介子与质子 (即氢原子核)作用产生的双 V形径迹的事例被观察到. 如图2.5所示,该过程为π−+p→Λ+K0. Λ粒子和 K介子是中性粒子,不留下径迹,它们分别继续以Λ → p+π−, K0 → π++π− 过程衰变, 次级粒子带电荷, 形成两个V形径迹. 这就是后来被称为奇异粒子的一系列新粒子发现的开始. 这些新发现的粒子都是不稳定的,除π0介子外(它的寿命是10−16 s),它们的平均寿命都在10−10∼10−6 s之间.

图2.4 左图: 格拉泽;右图: 阿尔瓦雷茨

图2.5 π− 介子与质子(即氢原子核)作用产生的双V形径迹的事例

实验上还发现, 这些奇异粒子在强相互作用产生过程中总是联合产生, 如上述过程中 Λ 与 K0 不会单独生成. 奇异粒子联合产生的事实启发人们尝试用一个新的量子数 S 来对其进行解释,即反应前后总的奇异量子数S=0. 反应前的π− 和p不是“奇异粒子”,而反应后奇异粒子Λ的S =−1,K0的S=+1. 这说明在强相互作用中奇异量子数是守恒的. 1954年, 盖尔曼 (M. Gell-Mann) 和西岛和彦 (K. Nishijima)提议牵涉到奇异粒子的强相互作用产生过程具有某种新的对称性和守恒定律,相应的守恒量为奇异数S. 与电荷一样,奇异数是新奇异粒子携带的另一种基本特性, 在强核力作用下反应前后的总奇异数是相同的. 这种精确的奇异数守恒定律禁止了最轻的奇异粒子在强相互作用下发生衰变,它们只能通过弱相互作用衰变, 因而有较长的寿命. 盖尔曼和西岛和彦还建议了一个定量公式, 将未发现这种奇异粒子之前的Q=T3+推广为

Q是电荷(以e为单位的值),是守恒量. B是重子数,定义所有核子和比核子重的旋量粒子的重子数为+1,它们的反粒子的重子数为 –1, 那么在反应过程中净重子数 (重子个数减去反重子个数) 是守恒的. 原子核的稳定性表明重子数守恒是自然界中的基本定律. T3 是前面介绍的同位旋第三分量. 例如质子 T3 = , Q=1, B =1, 因而 S =0. 中子 T3 =−, Q=0, B=1,因而S=0. 如果引入超荷Y =B+S,则

所有已发现的基本粒子的量子数都满足此等式. 这一等式表明, 三个量子数 Y, Q, T3 中只有两个是独立的, 通常选择超荷Y 和同位旋第三分量T3为两个独立变量. 下面可以看到,这在他们提出的对所有已发现的基本粒子分类的八重法及由此而创立的夸克模型中起着重要的作用.