鄭志鵬

中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所

特發(fā)鄭志鵬先生為《現(xiàn)代物理知識(shí)》的讀者撰寫的一篇優(yōu)秀科普文章，以志紀(jì)念。

鄭志鵬先生在北京譜儀控制室

一

物質(zhì)構(gòu)成之謎—一個(gè)古老而年輕的哲學(xué)命題

望著茫茫大海、巍巍山巒,自古到今,有多少人在思考:世界萬物是由什么構(gòu)成的?它有最小結(jié)構(gòu)嗎?如果有,那是什么呢?

早在周代,我們的祖先就提出了五行說,即萬物由金、木、水、火、土五種物質(zhì)原料構(gòu)成。《周易》中有“太極生兩儀,兩儀生四象,四象生八卦”的哲學(xué)思想。太極即世界的本源，兩儀是天地，四象是春、夏、秋、冬四季，八卦是天、地、雷、風(fēng)、水、火、山、澤，它們演出世界萬物。戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的老子說：“道生一，一生二，二生三，三生萬物。”二指的是陰和陽，陰陽統(tǒng)一為“沖氣”，三者產(chǎn)生萬物。在漢代出現(xiàn)了天地萬物由“元?dú)狻苯M成的哲學(xué)觀。古希臘人認(rèn)為水、火、空氣和泥土構(gòu)成物質(zhì)的基本元素。古希臘哲學(xué)家德謨克利特把構(gòu)成物質(zhì)的最小單元叫做“原子”。中國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)的墨翟也提出了類似原子說的觀點(diǎn)。他認(rèn)為“端，體之無厚，而最前者也”。端是物的起始，把物體分割到“無厚”，便達(dá)到最前的質(zhì)點(diǎn)。就是說：物體可以兩半兩半地分下去，如果剖到“無”就不能再剖下去了。這就是原子說的思想。

古代思想家和哲學(xué)家對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，只是靠思辨和猜想，真正對(duì)物質(zhì)構(gòu)成進(jìn)行科學(xué)的研究和解釋，是近二三百年來的事情。

300年前，英國(guó)科學(xué)家R.玻意耳提出化學(xué)元素的概念；100多年前，俄國(guó)科學(xué)家D.門捷列夫從已發(fā)現(xiàn)的元素中發(fā)現(xiàn)了規(guī)律性，制成了元素周期表，預(yù)測(cè)了未發(fā)現(xiàn)的元素的特性。從此人們認(rèn)識(shí)到，我們周圍的一切物質(zhì)都是元素組成的，每一種元素都有化學(xué)性質(zhì)相同的原子。

近百年來，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了電子、質(zhì)子和原子核并逐步形成了原子模型，認(rèn)識(shí)到原子是由原子核與核外運(yùn)動(dòng)的電子所組成。最初的認(rèn)識(shí)是原子核由質(zhì)子組成，一定數(shù)目的電子和相同數(shù)目的質(zhì)子組成原子，不同電子數(shù)和不同質(zhì)子數(shù)的原子構(gòu)成不同的元素。

本世紀(jì)30年代，科學(xué)家們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了中子、正電子，后來在宇宙線中又發(fā)現(xiàn)了μ子，π介子和奇異粒子。50年代以后，通過高能加速器又發(fā)現(xiàn)了大批新粒子。這里所說的“粒子”是指比原子核更小的下一個(gè)層次的微小顆粒。到目前為止，已發(fā)現(xiàn)的粒子有幾百種，它們當(dāng)中絕大多數(shù)在自然界中不存在，是在高能實(shí)驗(yàn)室里產(chǎn)生出來的。

這數(shù)百種粒子之間有什么聯(lián)系？它們之中哪些是更基本的？這是粒子物理學(xué)要回答的問題粒子物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究需要在很高能量下產(chǎn)生粒子并且進(jìn)行探測(cè), 因此粒子物理又稱為高能物理。

按照目前近代物理研究的最新成果,物質(zhì)的最小構(gòu)成單元不再是分子、原子, 而是夸克和輕子（電子是其中的一種）見圖1，人們對(duì)微觀世界認(rèn)識(shí)的尺度一下子深入到原來的十億分之一。

圖1 從分子到夸克和電子

二

物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的當(dāng)代進(jìn)展

粒子物理學(xué)的目標(biāo)是探索物質(zhì)的基本組元:和它們之間相互作用的規(guī)律。近40年來,它在對(duì)相繼發(fā)現(xiàn)的數(shù)百種粒子性質(zhì)的研究中,總結(jié)出如下規(guī)律：

所有粒子的運(yùn)動(dòng)遵循四種基本力的相互作用規(guī)律；

夸克、輕子和傳播子(即傳遞力的粒子)是更為基本的粒子。

科學(xué)家們對(duì)四種基本力、粒子性質(zhì)進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究,總結(jié)其規(guī)律性和提出理論模型。

1.四種基本本力

人類迄今認(rèn)識(shí)到：世界萬物的千變?nèi)f化,可歸結(jié)為四種基本力見表1,即引力、弱力、電磁力和強(qiáng)力的相互間作用規(guī)律。

表1 四種基本力

引力和電磁力是大家已經(jīng)熟悉的。牛頓受蘋果落地的啟示發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。我們的祖先發(fā)明了指南針是磁力應(yīng)用的先例。

弱力和強(qiáng)力在宏觀世界中不能直接觀察到,它們都是在很小的距離內(nèi)才起作用,只有在微觀世界即粒子間的相互作用中才顯示出來。

弱力在中子及其他粒子衰變過程中出現(xiàn),其強(qiáng)度比引力強(qiáng),但比電磁力弱得多。

強(qiáng)力是夸克之間的相互作用力,其強(qiáng)度最大這種力使夸克組合成強(qiáng)子。

每一種力都通過一種相應(yīng)的粒子來傳播。弱力的傳播子是中間玻色子W+, W- 和Z0；電磁力的傳播子是光子；強(qiáng)力的傳播子是膠子；引力的傳播子由于作用太弱,極難探測(cè)到,至今尚未發(fā)現(xiàn)。

2.粒子的性質(zhì)

根據(jù)作用力的特點(diǎn),粒子分強(qiáng)子、輕子和傳播子三大類。

強(qiáng)子是所有參與強(qiáng)力作用的粒子的總稱,它們由夸克組成。已發(fā)現(xiàn)的夸克有六種：上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克?，F(xiàn)有粒子中絕大部分是強(qiáng)子, 質(zhì)子、中子、π介子等都屬于強(qiáng)子。

輕子只參與弱力、電磁力和引力作用, 而不參與強(qiáng)相互作用。輕子共有六種, 即電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子(尚待發(fā)現(xiàn))。電子、μ子和τ子是帶電的,所有的中微子則不帶電。τ子是1975年發(fā)現(xiàn)的重要粒子。它的質(zhì)量很重,是電子的3600倍,質(zhì)子的1.8倍,不參與強(qiáng)作用,仍屬輕子,因而又稱重輕子。

傳播子也屬于基本拉子。傳遞強(qiáng)作用的膠子共有8種, 1979年在三噴注現(xiàn)象中被間接發(fā)現(xiàn),它們可以組成膠子球,但至今尚未被直接觀測(cè)到。傳遞弱作用的W+, W-和Z0中間玻色子是1983年發(fā)現(xiàn)的,非常重,是質(zhì)子的80一90倍。

粒子要比原子、分子小得多,用現(xiàn)有最高倍的電子顯微鏡也不能觀察到。

原子的尺寸為10-8厘米,即1億個(gè)原子排列在一起才有1厘米。質(zhì)子、中子的大小為10-13厘米,也就是說,只有原子的十萬分之一。輕子和夸克的尺寸更小,都小于10-17厘米,即不到質(zhì)子、中子的萬分之一。

粒子的質(zhì)量是粒子的主要特征量?，F(xiàn)有的粒子質(zhì)量范圍很大,從0到176吉電子伏。

光子、膠子是無質(zhì)量的；電子質(zhì)量很小,只有0.5兆電子伏,π介子質(zhì)量為電子質(zhì)量的280倍；質(zhì)子、中子都很重,接近電子質(zhì)量的2000倍,約為1吉電子伏；中間玻色子Z0,其質(zhì)量為90吉電子伏。

較早發(fā)現(xiàn)的五種夸克,從下夸克到底夸克,質(zhì)量從輕到重。下夸克質(zhì)量只有0.3吉電子伏,而底夸克重達(dá)5吉電子伏,最近發(fā)現(xiàn)的頂夸克的質(zhì)量高達(dá)176吉電子伏。

質(zhì)量的大小不是拉子是否基本的判據(jù)。例如底夸克是基本的,但其質(zhì)量約為質(zhì)子(不是基本的)的5倍,為π介子(也不是基本的)的30多倍。

中微子有無質(zhì)量？這是理論和實(shí)驗(yàn)都十分關(guān)心的問題,不但對(duì)粒子物理而且對(duì)宇宙學(xué)和天體物理都有很大影響。目前給出三種中微子質(zhì)量的上限越來越小, 例如已測(cè)得電子中微子的質(zhì)量小于7電子伏,即為電子質(zhì)量的七萬分之一, 已非常接近于零。實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家仍在努力,期望繼續(xù)提高三種中微子的質(zhì)量測(cè)量精度。

為什么粒子具有不同的質(zhì)量？有何規(guī)律性？按照粒子物理的規(guī)范理論,所有規(guī)范粒子的質(zhì)量為零,而規(guī)范不變性以某種方式被破壞了,使夸克、帶電輕子、中間玻色子獲得質(zhì)量。這種理論獲得一定成功,但將繼續(xù)受到實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。

粒子的壽命也不相同。電子、質(zhì)子、中微子是穩(wěn)定的,稱為“長(zhǎng)壽命”粒子；而其他絕大多數(shù)的粒子是不穩(wěn)定的,即可以衰變。例如一個(gè)自由的中子衰變成一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)電子和一個(gè)中微子；一個(gè)π介子衰變成一個(gè)μ子和一個(gè)中微子,其壽命是以強(qiáng)度衰減到一半的時(shí)間來定義。粒子大多數(shù)是“短命”的,其短促的程度,以作用力的形式而定,在丁10-6一10-23秒范圍。以一個(gè)小質(zhì)量強(qiáng)子為例,其典型的壽命是：弱力衰變?yōu)?0-10秒左右；電磁力衰變?yōu)?0-20秒左右；強(qiáng)力衰變則是10-23秒。要在這樣短的時(shí)間內(nèi)去“抓住”它們進(jìn)行研究,是一件極不容易的事情。

質(zhì)子的穩(wěn)定性雖曾受到理論的挑戰(zhàn),但實(shí)驗(yàn)已測(cè)得的質(zhì)子壽命大于1033年,也就是說,那些預(yù)言質(zhì)子不穩(wěn)定的論斷沒有得到已有實(shí)驗(yàn)的支持。

19世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)了電子,測(cè)得了它的質(zhì)量和所帶負(fù)電荷。1932年發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與電子質(zhì)量相同但帶一個(gè)正電荷的粒子,稱為正電子。以后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)許多相類似的情況,例如發(fā)現(xiàn)了一個(gè)帶負(fù)電、質(zhì)量與質(zhì)子完全相同的粒子,稱為反質(zhì)子。從大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論分析中得知，粒子世界具有對(duì)稱性：有一個(gè)粒子,必存在一個(gè)反粒子,夸克和輕子都是這樣。

一對(duì)正、反粒子相碰可以湮滅,變成無靜止質(zhì)量的光子。反之,兩個(gè)高能光子碰撞時(shí)有可能產(chǎn)生一對(duì)新的正、反粒子。與此類比,膠子與正、反夸克對(duì)之間也能互相轉(zhuǎn)變。

粒子還有另一種屬性—自旋。自旋為半整數(shù)的粒子稱為費(fèi)米子,為整數(shù)的稱為玻色子。微觀世界的粒子具有雙重屬性—粒子性和波動(dòng)性,例如,電子束像波一樣可以形成衍射圖像。

3.三代夸克、輕子模型

50年代至年60代初,人們將已發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子進(jìn)行排列和組合,期望找到類似于元素周期表的規(guī)律性。將所有的強(qiáng)子按電荷、自旋等特征排列,構(gòu)成了有規(guī)律的對(duì)稱圖案。引入“強(qiáng)子是由三種更基本的粒子(現(xiàn)記為上夸克、下夸克、奇異夸克)組成”的概念,可以解釋上述的對(duì)稱性規(guī)律。這稱為夸克模型。這一模型預(yù)言存在著一個(gè)新的粒子Q-,以后的實(shí)驗(yàn)果真找到了它。

中國(guó)的理論物理學(xué)家在60年代中期,從結(jié)構(gòu)的角度出發(fā),發(fā)展了計(jì)算方法,提出了層子模型,豐富了夸克模型。

1974年,丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組和B.里克特領(lǐng)導(dǎo)的另一個(gè)小組獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的粒子J/ψ,其質(zhì)量相當(dāng)重,壽命很長(zhǎng)。三種夸克的模型已不能解釋它的產(chǎn)生和衰變特性,必須引入第四種夸克(粲夸克)。J/ψ粒子是由粲夸克和反粲夸克組成的。

1977年又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)稱為γ的新粒子,揭示了第五種夸克底夸克的存在。

已知的幾百種強(qiáng)子,都是由這五種夸克構(gòu)成的,例如：質(zhì)子由兩個(gè)上夸克加一個(gè)下夸克組成,等等。

從對(duì)稱性的觀點(diǎn)看,應(yīng)該存在第六種夸克,即頂夸克。1994年費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室為這種夸克的存在提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù),1995年加以確認(rèn)。

夸克和輕子都是基本粒子,理論和實(shí)驗(yàn)上都發(fā)現(xiàn)了它們之間有某些關(guān)聯(lián)。這種規(guī)律性可以從表2看出。

表2 三代夸克和三代輕子

表2按粒子發(fā)現(xiàn)的先后順序分為“代”,每列為一代,共有三列,即三代。是否還存在著更多的基本粒子？有沒有第四代、第五代？這不但是粒子物理,也是宇宙學(xué)所關(guān)心的事。

4.守恒律和對(duì)稱性

物質(zhì)是不斷運(yùn)動(dòng)和變化的。在變化中也有些東西不變,即守恒。例如運(yùn)動(dòng)過程中能量是守恒的。

粒子的產(chǎn)生和衰變過程都要遵循能量守恒定律。此外還有其他的守恒定律,例如輕子數(shù)和重子數(shù)守恒,這是基于實(shí)驗(yàn)上觀察不到單個(gè)輕子和重子的產(chǎn)生和湮滅,必須是粒子、反粒子成對(duì)地產(chǎn)生和湮滅而總結(jié)出來的。

自然界許多圖像表現(xiàn)了某種對(duì)稱性,物理規(guī)律也有這種對(duì)稱性。例如：物理過程在空間反射下是對(duì)稱的,在粒子物理中用宇稱（P）來描寫這種對(duì)稱性。在粒子相互作用過程中,也存在著這種左右對(duì)稱性。1956年,李政道、楊振寧根據(jù)某些實(shí)驗(yàn)的跡象大膽提出在弱作用下宇稱可以不守恒,后來被β衰變左右不對(duì)稱實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

對(duì)稱性還包括時(shí)間反演、粒子與反粒子變換等。實(shí)驗(yàn)上也發(fā)現(xiàn)了粒子、反粒子變換與宇稱聯(lián)合反演對(duì)稱性（CP對(duì)稱性）在弱作用下同樣可以被破壞,但其原因尚不清楚,是粒子物理學(xué)家正在研究的一個(gè)重要課題。

5.標(biāo)準(zhǔn)模型—近代粒子物理理論的基礎(chǔ)

描述粒子的粒子性和波動(dòng)性的雙重屬性以及粒子的產(chǎn)生和消滅過程的基本理論是量子場(chǎng)論。各種粒子由相應(yīng)的量子場(chǎng)來表示。

量子場(chǎng)論和規(guī)范理論十分成功地描述了粒子及其相互作用。經(jīng)過20多年的不斷摸索,從實(shí)踐一理論一實(shí)踐反復(fù)過程中,逐步建立和發(fā)展了一種稱為標(biāo)準(zhǔn)模型的粒子物理理論。

標(biāo)準(zhǔn)模型是以夸克、輕子作為基本粒子,以弱作用和電磁作用(簡(jiǎn)稱弱一電)統(tǒng)一理論以及量子色動(dòng)力學(xué)理論為框架。

前面已經(jīng)講過,世界上存在四種基本作用力。它們是完全無關(guān)的嗎？經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的探索、研究,物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)弱力與電磁力之間存在著某些聯(lián)系,逐步建立起來了弱一電統(tǒng)一理論。這一理論與實(shí)驗(yàn)符合得很好,它預(yù)言的三個(gè)中間玻色子W+,W-和Z0都在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了。它預(yù)言的另一個(gè)粒子“黑格斯”至今尚未找到,是因?yàn)橘|(zhì)量太大,加速器能量不夠,還是什么別的原因？只有通過實(shí)踐來檢驗(yàn)。

目前有些理論物理學(xué)家很想建立一種稱為“大統(tǒng)一”的理論,試圖把弱力、電磁力和強(qiáng)力統(tǒng)一起來,但遇到很多困難。近年來又提出了超對(duì)稱大統(tǒng)一理論。

量子色動(dòng)力學(xué)是描述強(qiáng)相互作用的理論,它較好地解釋了為什么看不到單個(gè)的夸克以及解釋了強(qiáng)子噴注現(xiàn)象等事實(shí)。

迄今為止,標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)比較成功的理論,有實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的支持,但也還存在著一些問題,如理論參數(shù)多至20個(gè),黑格斯粒子未被發(fā)現(xiàn)等。這個(gè)理論還有待于發(fā)展。

理論和實(shí)驗(yàn)都在尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的理論和違反標(biāo)準(zhǔn)模型的實(shí)驗(yàn)。這是尋求新物理突破的希望,但根本也還在于實(shí)驗(yàn)。

三

龐大的高能實(shí)驗(yàn)裝里—研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的有力工具

1、為什么要建造高能加速器？

粒子物理研究的工具是高能加速器和粒子探測(cè)器,形形色色的粒子靠它們來產(chǎn)生和探測(cè)。自60年代出現(xiàn)高能拉子加速器以來,大批的粒子相繼被發(fā)現(xiàn)。

在粒子物理中,通常稱100兆電子伏以下為低能(原子彈爆炸時(shí)的核作用在兆電子伏量級(jí), 在粒子物理現(xiàn)象中屬低能),100兆電子伏至3吉電子伏為中能,3吉電子伏以上稱為高能。因此,高能加速器是指粒子反應(yīng)能在3吉電子伏以上的加速器。

按愛因斯坦“質(zhì)能公式”,即E=mc2。(m是粒子質(zhì)量,c是光速,E 是產(chǎn)生質(zhì)量m的粒子所需要的能量),要產(chǎn)生一定質(zhì)量的粒子,需要相應(yīng)能量。我們所研究的高能粒子,有的是很重的(如Z0粒子),沒有足夠的能量不足以產(chǎn)生,因此需要高能加速器。

需要高能加速器的另一個(gè)原因是粒子束流能量越高,波長(zhǎng)越短,越能深入物質(zhì)內(nèi)部去獲得更多的信息。

高能加速器是在低能加速器的理論和技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,其原理也是使帶電粒子在電場(chǎng)中獲得能量而加速,用磁場(chǎng)約束其運(yùn)動(dòng)軌道。原理雖然簡(jiǎn)單,但技術(shù)十分復(fù)雜。

60年代的高能加速器只產(chǎn)生一束高能粒子,作為“炮彈”轟擊固的“靶”而產(chǎn)生出新的粒子?！芭趶棥钡哪芰坎煌?產(chǎn)生的物理現(xiàn)象也會(huì)不同。隨著加速器能量的提高,發(fā)現(xiàn)這種實(shí)驗(yàn)方式存在著很大的能量損失,想要繼續(xù)提高參與反應(yīng)的能量,需要付出很高的經(jīng)濟(jì)代價(jià)。對(duì)撞機(jī)就是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。它大大提高了有效作用能量,有較好的性能一價(jià)格比。

2.對(duì)撞機(jī)的原理和類型

對(duì)撞機(jī)同時(shí)加速兩種粒子,使它們沿相反方向運(yùn)動(dòng)和得到加速,然后在固定位置上發(fā)生碰撞。這樣可以得到很高的有效作用能,而且不需要的粒子少,當(dāng)然,技術(shù)難度要大得多。

目前世界上的高能加速器中對(duì)撞機(jī)占多數(shù),有正一負(fù)電子對(duì)撞機(jī)、質(zhì)子一反質(zhì)子對(duì)撞機(jī)質(zhì)子一質(zhì)子對(duì)撞機(jī)和電子一質(zhì)子對(duì)撞機(jī),最多的是正一負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。我國(guó)在1988年建成的北京正一負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）,能量為5.6吉電子伏,規(guī)模較小,能量較低,但對(duì)撞亮度高,即對(duì)撞時(shí)產(chǎn)生新粒子的概率大,工作在粲夸克和τ輕子的研究領(lǐng)域。西歐核子研究中心的LEP是當(dāng)今世界上能量最高的正一負(fù)電子對(duì)撞機(jī),能量為100吉電子伏,主加速器周長(zhǎng)27公里。

目前,世界上有兩臺(tái)超高能對(duì)撞機(jī)的建造計(jì)劃,一臺(tái)是美國(guó)的超級(jí)超導(dǎo)質(zhì)子一質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（SSC）,能量為40太電子伏,周長(zhǎng)87公里,耗資110億美元。由于美國(guó)經(jīng)濟(jì)不景氣,赤字太大, 該計(jì)劃已被美國(guó)國(guó)會(huì)否決而夭折。另一合是西歐核子研究中心的大型強(qiáng)子（質(zhì)子一質(zhì)子）對(duì)撞機(jī),能量為16太電子伏。物理學(xué)家期望在其上產(chǎn)生頂夸克和發(fā)現(xiàn)黑格斯粒子及其他新粒子和新現(xiàn)象。

我國(guó)加速器的發(fā)展,在80年代末90年代初進(jìn)入了一個(gè)新階段。三臺(tái)大型加速器相繼問世。它們是：北京正一負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（高能）,蘭州重離子加速器（中能）和合肥同步輻射加速器（中能）。雖然它們能區(qū)不同、研究?jī)?nèi)容各異,但都努力進(jìn)入國(guó)際同類加速器的前列,做出國(guó)際第一流水平的成果。

3.觀測(cè)粒子的眼睛—探測(cè)器

由高能加速器或?qū)ψ矙C(jī)產(chǎn)生的新粒子用大型粒子探測(cè)器來觀測(cè)。將探測(cè)器安裝在對(duì)撞機(jī)的粒子對(duì)撞區(qū),盡可能把對(duì)撞點(diǎn)包圍起來,以得到最大的接收立體角。

所有大型粒子探測(cè)器都是多種探測(cè)器的組合體,原理相似,結(jié)構(gòu)各異,規(guī)模不等。各種探測(cè)器的基本原理是使帶電粒子在穿過物質(zhì)時(shí),由于電離效應(yīng)、輻射效應(yīng)等留下徑跡,用電子學(xué)方法和計(jì)算機(jī)手段捕捉這些信息,再加以放大、分析處理,以得到粒子的能量、速度、動(dòng)量等。

探測(cè)器的一個(gè)重要指標(biāo)是粒子的分辨率,通常是由測(cè)得的粒子能量、速度、動(dòng)量等得到粒子的質(zhì)量,或根據(jù)不同粒子與物質(zhì)相互作用的特性來確定粒子的類別。當(dāng)今的探測(cè)器都充分利用大型計(jì)算機(jī)來迸行數(shù)據(jù)的獲取和分析。

隨著能量的增加,探測(cè)器更加龐大和復(fù)雜。對(duì)撞后產(chǎn)生的粒子數(shù)增多,對(duì)觸發(fā)速率、數(shù)據(jù)獲取率、電子學(xué)和探測(cè)器計(jì)數(shù)率、探測(cè)器的抗輻照能力、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和分析能力都提出了更高要求。在電子對(duì)撞機(jī)上的探測(cè)器大多是對(duì)稱的,而在德國(guó)的HERA上工作的探測(cè)器則前后不對(duì)稱,以適應(yīng)電子、質(zhì)子能量不同的要求。

工作在北京正一負(fù)電子對(duì)撞機(jī)上的北京譜儀（BES）是我國(guó)自行設(shè)計(jì)、制造的粒子探測(cè)器,是國(guó)際上在該能區(qū)工作的最先進(jìn)的探測(cè)器之一,運(yùn)行3年來獲得的物理結(jié)果受到了國(guó)際上的關(guān)注。1992年,完成τ輕子質(zhì)量的精確測(cè)量,對(duì)過去的結(jié)果修正了7.2兆電子伏,將精度提高了10倍,為解決τ壽命、分枝比與標(biāo)準(zhǔn)模型框架之一的輕子普適性理論的矛盾問題起了關(guān)鍵作用。該結(jié)果在國(guó)際高能物理大會(huì)上宣布后引起普遍的重視,專家們認(rèn)為這是近幾年高能物理最重要的實(shí)驗(yàn)之一。此外,它還在J/ψ、粲物理研究方面取得了令人矚目的結(jié)果。這一系列的成果已得到國(guó)際高能物理同行的承認(rèn),說明我國(guó)在τ輕子和粲夸克領(lǐng)域的研究方面已在國(guó)際高能物理界占有一席之地。

4.粒子物理面臨的挑戰(zhàn)

40年來,粒子物理學(xué)有很大進(jìn)展, 但仍有:許多基本問題需要解決。如：

夸克和輕子有沒有結(jié)構(gòu)？難道它們是最基本的嗎？基本粒子是否能“分”下去？

夸克和輕子為什么會(huì)有不同質(zhì)量？質(zhì)量的來源是什么？

黑格斯粒子為什么至今尚未發(fā)現(xiàn)？

夸克、輕子是否只有三代？代的基源是什么？

弱作用下粒子反粒子變換一宇稱聯(lián)合反演對(duì)稱性（CP）破壞的來源是什么？

這些問題都是今后粒子物理要研究的課題。

標(biāo)準(zhǔn)模型仍存在著問題,人們希望能在理論和實(shí)驗(yàn)上取得新的結(jié)果,使標(biāo)準(zhǔn)模型有所突破。

物理學(xué)的基礎(chǔ)是實(shí)驗(yàn),因此,人們寄希望于未來的超高能和高亮度加速器。

四

物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究與其他學(xué)科的交叉及高技術(shù)

粒子物理的貢獻(xiàn)首先是將人們對(duì)物質(zhì)構(gòu)成的認(rèn)識(shí)大大向前推進(jìn)了。

幾千年來,人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索,只是在近兩三百年里,特別是近百年里才進(jìn)入科學(xué)階段,得出了物質(zhì)最小構(gòu)成單位是原子的科學(xué)論斷,有了原子模型。粒子物理使認(rèn)識(shí)深入到亞原子（或亞原子核）階段,了解到物質(zhì)構(gòu)成的單元已小到夸克和輕子。認(rèn)識(shí)的尺度分別縮小到原來的十億分之一（相對(duì)于原子）和一萬分之一（相對(duì)于原子核）。它向人們展示了科學(xué)發(fā)展的突飛猛進(jìn),同時(shí)也告訴人們：事物是不斷發(fā)展的,認(rèn)識(shí)是無止境的,對(duì)構(gòu)成物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最小單位的了解是不斷深化的。粒子物理的研究,還使我們知道了除了電磁力、引力以外還存在著弱力和強(qiáng)力；知道了還存在數(shù)百種粒子；知道了能量、空間、時(shí)間之間的深刻關(guān)系和微觀世界存在的這許多神秘有趣的規(guī)律,其中有些規(guī)律直接影響到宏觀世界。這些認(rèn)識(shí)直接影響著整個(gè)科學(xué)界,大大豐富了人們對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí),因此衍生出許多學(xué)科和推動(dòng)了技術(shù)的發(fā)展。正因?yàn)槿绱? 30年代以來,因與粒子物理研究成就有關(guān)而獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家就有30多位,其中包括華裔物理學(xué)家李政道、楊振寧和丁肇中。

建造高能加速器和探測(cè)器的多種高技術(shù),為相應(yīng)的工業(yè)技術(shù)帶來了發(fā)展的機(jī)會(huì)和條件,促進(jìn)了廣泛的經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

下面僅舉一些例子,說明粒子物理對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)的直接影響。

在基礎(chǔ)科學(xué)方面,粒子物理研究對(duì)以最大尺度空間物質(zhì)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律為研究對(duì)象的宇宙學(xué)和天體物理學(xué)產(chǎn)生極大影響。宏觀世界和微觀世界在粒子物理學(xué)中奇妙地結(jié)合起來,粒子物理的許多知識(shí)有助于檢驗(yàn)宇宙大爆炸模型；中微子質(zhì)量問題在宇宙星系結(jié)構(gòu)中有重大影響；宇宙學(xué)同樣關(guān)心有幾代輕子；宇宙學(xué)假定暗物質(zhì)（一種目前尚不能感知的物質(zhì)）的存在,也要由粒子物理實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)；大統(tǒng)一理論的成功與否,也對(duì)宇宙學(xué)產(chǎn)生影響。反之,宇宙學(xué)的研究成果,也對(duì)粒子物理產(chǎn)生影響。

原子核物理一直與粒子物理有著密切的聯(lián)系。核子由夸克構(gòu)成以及核力通過膠子交換等概念直接影響了核物理。高能輕子對(duì)核的散射實(shí)驗(yàn)表明,原子核不是一個(gè)簡(jiǎn)單的多個(gè)核子的集合體系。

凝聚態(tài)物理因粒子物理中的量子場(chǎng)論的應(yīng)用而大獲成功。重整化群的方法為正確地認(rèn)識(shí)二級(jí)相變產(chǎn)生了革命性的影響,反過來又應(yīng)用到粒子物理領(lǐng)域。兩個(gè)學(xué)科在交流、啟發(fā)中相互促進(jìn)。

粒子物理也影響著原子物理、宇宙線物理等。

高能加速器和探測(cè)器的建造得益于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,如高頻技術(shù)、強(qiáng)流技術(shù)、高真空技術(shù)、強(qiáng)磁場(chǎng)技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等；高能物理的發(fā)展又對(duì)這些技術(shù)提出更新更高的要求和發(fā)展的機(jī)會(huì),因而也帶來了相應(yīng)工業(yè)的發(fā)展。

下面僅舉幾個(gè)加速器應(yīng)用的例子：

40年代,電子加速器開始用于癌癥治療,隨著高能加速器應(yīng)用的推廣,現(xiàn)在已將粒子加速器直接或間接產(chǎn)生的電子束、質(zhì)子束、π束、X射線、中子束用于治療癌病。加速器也用于生產(chǎn)醫(yī)用放射性同位素。

粒子加速器在工業(yè)輻照和工業(yè)探傷方面的應(yīng)用已經(jīng)歷了30多年的發(fā)展,某些方面的應(yīng)用在國(guó)際上已形成產(chǎn)業(yè)。如用工業(yè)輻照加速器進(jìn)行高分子材料的交聯(lián)改性、生產(chǎn)復(fù)合材料、食品防腐和保鮮、醫(yī)療品消毒等。

高能直線加速器大功率束調(diào)管技術(shù)的發(fā)展,促進(jìn)了大功率發(fā)射管技術(shù)的提高,從而推進(jìn)了廣播通訊事業(yè)的發(fā)展。

同步輻射是加速器應(yīng)用的一個(gè)重要而有極大發(fā)展前途的分支。50年代在同步加速器上發(fā)現(xiàn)了電子作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的輻射現(xiàn)象—同步輻射, 60年代將這種電子輻射加以利用,到70年代, 已形成一門蓬勃發(fā)展的應(yīng)用學(xué)科?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到了第三代專用同步輻射光源,把同步光源應(yīng)用到凝聚態(tài)物理、原子分子物理、材料科學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)、地礦學(xué)、醫(yī)學(xué)等研究方面,也應(yīng)用到了大規(guī)模集成電路光刻和超微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工方面。我國(guó)同步輻射正在向更廣泛的研究和應(yīng)用領(lǐng)域滲透。

我國(guó)的北京正一負(fù)電子對(duì)撞機(jī)當(dāng)前主要用以進(jìn)行高能物理實(shí)驗(yàn),也用以進(jìn)行同步輻射的研究和應(yīng)用。在合肥還建成了專用同步輻射光源。在我國(guó)已經(jīng)有了發(fā)展同步輻射研究的良好基礎(chǔ)。

大型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用是粒子物理實(shí)驗(yàn)所不可缺少的,粒子物理的實(shí)驗(yàn)要求和各種先進(jìn)的軟件帶動(dòng)了計(jì)算機(jī)事業(yè)的發(fā)展,也使許多學(xué)科受益。

可以說,基本粒子雖小,但所起的作用卻不容忽視；研究?jī)?nèi)容雖然抽象,但與人們的切身利益有關(guān)。

我國(guó)的高能物理研究是在周恩來、鄧小平直接關(guān)懷下發(fā)展起來的,大規(guī)模、系統(tǒng)的研究始于對(duì)撞機(jī)建造之后。如何創(chuàng)造出更多國(guó)際一流水平的成果,牢牢占領(lǐng)國(guó)際高能物理領(lǐng)域的一席之地,為人類做出貢獻(xiàn),是擺在我國(guó)科學(xué)工作者面前的神圣任務(wù)。

本文選自《現(xiàn)代物理知識(shí)》1995年3期YWA編輯

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