1.7　模型法成為揭示基本粒子組成的有力武器

前面談到，原子模型和原子核模型對于發現原子核和中子以及原子核的結構，產生了重要的啟示作用。那么類似的構思對研究更深層次物質微觀結構的組成是否有重要作用呢？半個多世紀以來的高能物理發展史說明，這個研究方法是十分有益的，并且在夸克模型（標準模型）和發現六種夸克及電子的分裂研究上，取得了令人震驚的成果，從而肯定了構思物質組成模型是一種普遍有效的科學方法。

1932年中子的發現證實了原子核由中子、質子和電子組成的原子核模型的正確性，到了20世紀40年代末科學家們又發現了幾個介子，從而使人們進一步研究中子和質子的組成。這時科學家們認識到所謂基本粒子（一般稱為粒子）可分為輕子和強子兩種，輕子指比介子輕的粒子，有正負電子、正負μ子和正反中微子。強子指重子和介子而言，重子指比介子重的粒子，有質子、中子和超子。輕子都參與弱相互作用，強子都參與強相互作用，而原子核內的粒子分別由強相互作用（又稱強力）和弱相互作用（弱力）聯系在一起。傳遞弱相互作用的是中間玻色子，傳遞強相互作用的是膠子。在宏觀范圍起作用的引力相互作用由引力子傳遞，電磁相互作用由光子傳遞。根據科學家們至今的發現，宇宙間共有四種相互作用而且它們是最基本的。

根據20世紀的科學發展，如果深入探索微觀物質組成的層次，必須搞清楚質子由什么粒子組成，因為中子是由質子和反中微子組成，而最早發現的電子真的就是最小的電荷單位嗎？這引起了一些科學家們的懷疑。于是要解決質子和電子由什么組成，必須設法將它們分解，可是形成它們的能量是非常巨大的，為此，科學家們試圖通過研制能量達到幾百億、幾千億、幾萬億電子伏的加速器來打破它們。由于制造這樣的加速器花費甚大，非一般國家所能承受，要求的科技水平很高，只有極少的國家可能達到。在這種情況下人們根據過去的經驗，還是通過先構成合理的模型然后再進行實驗比較好。早在1956年，日本的坂田昌一曾經提出強子是由質子、中子、超子及它們的反粒子組成的模型，這能解釋很多現象，但是他在解釋重子的一些性質和預言許多不可能存在的新重子方面，遇到了困難。為此，美國物理學家蓋爾曼（M.Gellmann，1929—2019）和奈曼（Y.Neeman， 1925—）在1961年提出了八重態模型。蓋爾曼為了說明多重態結構的形成，提出強子由三種夸克組成的“夸克模型”（上夸克u，下夸克d，奇夸克s），認為介子由正反夸克組成，重子由三種夸克組成。1965年，我國的朱洪元等根據物質組成層次無限的辯證觀點和已發現的事實，提出“層子模型”。60年代前期美國的格拉肖（S.Glashow，1932—）提出電磁相互作用與弱相互作用具有統一性，并且認為應存在第四種夸克，1974年丁肇中和里希特（B.Richter，1931—）分別發現了J/Ψ粒子，證實了第四種夸克（粲夸克）的存在。美國的溫伯格（S.Weinberg，1933—）和巴基斯坦的薩拉姆（A.Salam，1926—1996）在上述理論和發現基礎上，在70年代中期提出了著名的標準模型。這個模型預言弱、電和強相互作用應當有統一性，并預言強子由六種夸克（u、d、s、c夸克再加上底夸克b和頂夸克t）組成。1977年美國的費米國家加速器實驗室的萊德曼（L.M.Lederman，1922—2018）等用1700多億電子伏的質子對撞機，實驗發現了第五種夸克，但是1983年歐洲核子聯合研究中心（CERN）發現了弱一電統一相互作用理論預言的中間玻色子±W和Z 0粒子，但是尚無強相互作用也參與的統一相互作用。此外，六夸克理論還有待第六種夸克的發現。

為了尋找第六種夸克，必須研制能量大得多的新質子對撞機。1992年費米國家加速器實驗室研制成1萬億電子伏能量的質子—反質子對撞機“Tevator”，在1994年4月終于知道了這種夸克，稱之為“頂夸克”。但是6種輕子中還有τ子中微子未能發現，直到2000年7月，費米國家加速器實驗室的科學家們才通過加速器的中微子束實驗，發現了τ子中微子，從而完全證實了標準模型的預言：物質由12種基本的粒子組成。到這時，科學家們終于發現了輕子和夸克各有6種，彼此之間存在對應關系。對于強子的組成粒子經過近40年的探索，用先構思模型的方法取得了重大成果，由此可見，20世紀初采用的原子模型方法經過一個世紀的不斷研究，證明是探索物質微觀組成的很有效的科學方法。