1　神奇粒子在哪里

一個多世紀之前，我們開始把探究的目光投向原子內部。自那時起，我們發(fā)現(xiàn)這個世界是由一系列具有獨特性質的事物構成的。

原子內部

原子是物質不可分割的終極粒子的觀點可以追溯到古希臘的哲學家。它是18世紀以來化學這一新學科賴以建立的基石。但是到了一個多世紀以前，隨著更小、更基本的實體——也就是現(xiàn)在我們所稱的基本粒子乍露真容，這一切發(fā)生了變化。

1897年，英國物理學家約瑟夫·湯姆森正在研究陰極射線——真空中的金屬電極在高電壓下發(fā)射出的輻射流。這些射線是不可見的，但是碰到熒光材料時便會產(chǎn)生輝光。湯姆森證明了，陰極射線在磁場和電場中會偏轉，而且偏轉的程度與陰極的材質無關。他得出結論：它們是帶負電荷的微小物體，比原子小得多，也輕得多。這些“電子”的發(fā)現(xiàn)推翻了原子是均質的、不可分割的觀點。

如果電子是原子的一部分，那么原子里面還會有什么呢？為了保持原子整體的電中性，湯姆森認為電子是鑲嵌在原子里面的，就像是鑲嵌在正電荷“布丁”里的梅子。但是，到了1908年，新西蘭人歐內斯特·盧瑟福和他在英國曼徹斯特大學的助手漢斯·蓋革一起工作，揭示了一幅不同的圖景。從放射源發(fā)射出去之后，帶正電荷的α粒子——后來被發(fā)現(xiàn)是氦原子核——穿過擋在它們前面的金屬箔，路徑僅僅偏轉了幾度。看起來，原子內部大部分空間似乎都空空如也。

蓋革和他的學生歐內斯特·馬斯登開展的后續(xù)實驗帶來了更加令人意想不到的結果。一些α粒子直接反彈，路徑折角達180度。盧瑟福后來曾說，這種現(xiàn)象“就像你朝一張紙巾發(fā)射了一枚38厘米的炮彈，結果它彈回來打到了你”。盧瑟福于1911年2月首次公開發(fā)表的解釋是，本身不到十億分之一米（10-9米）寬的原子的質量集中在中心一個直徑只有10-14米的微小體積中。這有點像一只蒼蠅在大教堂里嗡嗡亂飛——只不過蒼蠅占了大教堂總質量的99.9%。原子核誕生了。

進入原子核

原子核被發(fā)現(xiàn)后的一段時間里，它的基本結構仍然是個謎。但是當物理學家們用α粒子把一種元素轉化成另一種元素時，他們發(fā)現(xiàn)會有氫原子核被釋放出來。到了20世紀20年代早期，盧瑟福等人確信，后來被稱為質子的氫原子核一定是原子核的基本組成部分。但是直到1932年，盧瑟福的同事詹姆斯·查德威克才分離出另一種組成部分。用α粒子轟擊鈹會產(chǎn)生一種新型的輻射，由不帶電荷的粒子構成（見圖1.1）。起初，查德威克認為它是電子和質子的結合體，結果卻發(fā)現(xiàn)它有點超重。質子的質量為938.3兆電子伏特（MeV），是電子質量的1800多倍，而新發(fā)現(xiàn)的中子質量達到了939.6兆電子伏特。

單獨存在的質子是穩(wěn)定的，至少人們還沒有觀察到它們的衰變，而中子則會通過發(fā)射電子變成質子。如果你能收集一桶中子，10分鐘后便只能剩下一半了。考慮到這一事實，再加上質子因帶正電荷而相互排斥，原子核居然能保持聚合，看起來似乎是個奇跡。這要歸功于強核力那壓倒性的效應，強核力在極短的距離內能使質子和中子結合在一起（見第2章）。

有了電子、質子和中子，我們似乎擁有了一套可以形成任何原子的粒子，所有的化學元素乃至所有已知的物質也就得到了解釋。新發(fā)展的量子力學理論描述了這些粒子的特殊行為：既可以像波也可以像小質點。只需要三種零件就能構建宇宙，這真是一個簡單到令人震驚的系統(tǒng)……然而大自然并沒有表現(xiàn)出那樣的仁慈。

發(fā)現(xiàn)反世界

1928年，英國物理學家保羅·狄拉克預言過一種新型的粒子。他為電子設計了一個量子方程。不同于傳統(tǒng)的量子力學，這個方程與愛因斯坦描述高速物體運動方式的狹義相對論也是相容的。方程預測電子具有自旋——一種內稟角動量。（電子的自旋是1/2——用量子物理學家最喜歡的約化普朗克常數(shù)來講，大概是10-34焦耳·秒）它還表明電子應該有一個二重身——一種“反物質”粒子，幾乎所有性質都與電子相同，只不過帶正電荷而不是負電荷。正電子在1932年被發(fā)現(xiàn)，它是第一個被發(fā)現(xiàn)的反物質世界成員。此外還有反質子和其他粒子的反物質版本。

與此同時，自然的一個更加奇異的面目也被揭示了出來。當一個中子衰變?yōu)橐粋€質子和一個電子（β衰變過程的一個例子），兩個新粒子的能量加起來要小于一開始的中子總能量。這種短缺致使物理學家沃爾夫岡·泡利和恩里科·費米在20世紀30年代得出結論，肯定還有一種粒子被發(fā)射了出來——一種幽靈般的粒子，與其他粒子之間相互作用很弱。這種粒子現(xiàn)在被稱為中微子（具體來說，在上文試驗中發(fā)射的是反電子中微子）。

在從太空向我們傾瀉下來的粒子——也就是宇宙射線——當中，還有更多的意外正等著我們。1937年，在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了一個質量相當于電子質量約200倍的粒子。起初，這看起來符合日本物理學家湯川秀樹在1933年提出的一項理論。在該理論中，被他稱為介子的新粒子利用強大的核力將質子和中子結合在一起。然而，物理學家在20世紀40年代發(fā)現(xiàn)，這個新發(fā)現(xiàn)其實是電子的一個較重的版本。它令美國物理學家伊西多·艾薩克·拉比發(fā)出了疑問：“那東西是誰點的？”

其他這些粒子的存在有何意義？是否還存在著另一個有待發(fā)現(xiàn)的層次？為了更深入地研究物質并回答這些問題，物理學家需要開發(fā)一些強大的新工具。

粒子對撞

粒子是很小的東西，但是為了研究它們，我們需要巨大的機器。世界上用來研究它們的機器當中，最大、最有名的是瑞士歐洲核子研究中心實驗室的大型強子對撞機。這個粒子加速器的隧道有27千米長，峰值耗電量大約為200兆瓦，大約是鄰近城市日內瓦耗電量的三分之一。

大型強子對撞機和其他大型加速器的目的是將帶電粒子加速到接近光速。這給了粒子很高的動能，也就讓它們擁有了強大的撞擊力。當這樣的高能粒子與其他物質碰撞時，它的能量可以轉化為新粒子的質能（根據(jù)愛因斯坦的方程E=mc2）。更大的能量意味著你可以創(chuàng)造更重的新型粒子，也使得物理學家能夠在非常小的尺度上探測物質，因為亞原子粒子束的行為就像波一樣。能量越高，波長越短；波長越短，可以識別的物體就越小。

陰極射線管——湯姆森發(fā)現(xiàn)電子時使用的裝置——便是一種簡單的粒子加速器。將玻璃管內的空氣抽空，兩端插入電極。施加電壓會在電極之間形成電場，負極（也就是陰極）被加熱，這樣電子就能被有效地“蒸”出來。然后，電子被吸引到正極那端，并在穿過中間的電場的過程中獲得能量。

如果電極之間的電勢差為1伏特，電子將獲得1個電子伏特（eV）的能量，大約等于1.6×10-19焦耳。提高電壓，你就可以賦予電子更多的能量。一些用于產(chǎn)生X射線的陰極射線管在數(shù)百千電子伏特（keV）的能級上工作。

范德格拉夫起電機可以生成更高的電壓。這種設備使用一條傳送帶把電荷向上引入一個金屬球中。它們的電壓可以達到數(shù)百萬伏特，因此可以生成帶有幾兆電子伏特（MeV）能量的質子束。這么高的能量足以探測原子核的結構，但是仍然滿足不了粒子物理學家們的要求。

步步高升

人們能夠維持的電壓是有限的，因此，為了讓粒子獲得更高的能量，加速器重復使用強度較小的電場。1928年，挪威工程師羅爾夫·維德羅建造了第一臺這樣的機器，一種線性加速器，或者叫作直線加速器。他的直線加速器令粒子束通過連續(xù)的交變電場區(qū)域，在粒子行進過程中分階段給予它們反復加速。一些現(xiàn)代的機器以同樣的方式工作，另外一些直線加速器則利用電磁波加速粒子，就像駕馭海浪的沖浪者一樣。

世界上最大的直線加速器位于美國加利福尼亞州的斯坦福線性加速器中心國家加速器實驗室。這臺機器有3千米長。在被用于粒子物理學研究時，它可以將電子加速到500億電子伏特（50吉電子伏特，簡稱GeV）。今天它被分成兩個區(qū)段運作，它的粒子束被用于其他科學領域（見第11章）。

直線加速器是有極限的，因為粒子很快就會到達終點，你就不能繼續(xù)加速它們了。這就是為什么當今最強大的加速器——同步加速器——使用磁體將粒子束彎曲成圓形。當粒子加速時，磁場相應地增強，外加電場的頻率也隨之提高，以跟上粒子的步伐。

粒子束也必須用磁體進行約束，否則粒子就會偏離預定軌跡并擊中墻壁。在較大的同步加速器中，長偶極（雙極）磁體用于使粒子束彎曲，而四極磁體負責約束粒子束。

現(xiàn)代的同步加速器由一個注入器（通常是一部直線加速器）、一個雙極和四極磁體環(huán)、束流管（帶有保持其高真空狀態(tài)的泵）和幾個射頻腔組成。它們都是空心的金屬結構，其中形成的電磁駐波，提供了用來加速粒子束的電場。

同步加速器的尺寸從1米左右（用作X射線源）到當今世界最大的大型強子對撞機（周長27千米）。大型強子對撞機占據(jù)了一條隧道。這條隧道原本是為早期的一臺電子同步加速器——大型正負電子對撞機——挖的。這是為了使粒子束的軌跡曲線盡可能平緩，因為高能帶電粒子沿曲線運動時，會發(fā)出所謂的同步輻射，從而損失能量。當粒子的速度接近光速時，它的軌跡彎曲度越大，輻射量也就越大。在任何給定的能量下，越重的粒子移動速度越慢，因此質子可以在同步輻射消耗其強度之前被加速到更高的能量。例如，大型強子對撞機可以將質子加速到大約7萬億電子伏特，大約是電子在大型正負電子對撞機能夠獲得的能量的70倍。

等到粒子達到一定的速度，它們就能派上用場了。在一些加速器中，粒子束轟擊固體目標，不過兩束粒子束正面碰撞的效率要高得多，大型強子對撞機當中正是如此安排的。碰撞產(chǎn)生了大量的新粒子，巨大的粒子探測器跟蹤這些殘骸，這樣物理學家就可以重現(xiàn)碰撞發(fā)生時的情況。

粒子的零件

從20世紀40年代末開始，物理學家們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一個又一個新粒子，其中許多粒子是由宇宙射線與高空的原子核碰撞產(chǎn)生的。對宇宙射線副產(chǎn)物的研究揭示了π介子、K介子和Λ粒子存在的最早證據(jù)。這些粒子高度不穩(wěn)定，壽命在10-8秒到10-10秒之間。然后人們發(fā)現(xiàn)了Δ粒子和Σ粒子，以及后來更多的粒子——100多個看似基本的新粒子，全都不穩(wěn)定。它們當中大部分都相當重，連同質子和中子一起被統(tǒng)稱為強子。粒子物理學家們本來是在尋找物質簡單的基本組成部分，結果似乎發(fā)現(xiàn)了一個新的亞原子領域，其復雜程度令人驚訝和困惑。

利用粒子加速器在受控條件下模擬宇宙射線的碰撞，物理學家可以對這些粒子進行更加系統(tǒng)的研究。通過這種手段，一種在宏觀世界中沒有類比的性質被揭示出來，某些強子根據(jù)這個性質被打上了不同于其他強子的標記。因為這個性質會導致一些看似奇異的行為，所以這個性質本身就被稱為奇異數(shù)。在目前提到的粒子中，質子和中子沒有奇異數(shù)，π介子和Δ粒子也沒有奇異數(shù)。K介子、Λ粒子和Σ粒子都有一個單位的奇異數(shù)。

在20世紀60年代早期，美國人默里·蓋爾曼和以色列人尤瓦勒·內埃曼分別根據(jù)強子的電荷、奇異數(shù)和自旋（粒子內稟角動量）對強子進行了分類。他們發(fā)現(xiàn)了八重道和十重道的模式，這反映了一種被稱為SU（3）的數(shù)學對稱性。

奇異有三

這兩個模式中存在著一個缺口，對應一個帶負電荷、奇異數(shù)為3的粒子。物理學家稱它為Ω-，1964年，紐約布魯克海文國家實驗室的一個研究小組使用粒子加速器發(fā)現(xiàn)了它——在他們的氣泡室里有一條很短但很獨特的軌跡。這表明該理論具有一定的預測能力。但是這些美麗的模式背后隱藏著什么樣的規(guī)律呢？

SU（3）的數(shù)學計算表明，較大的組——八重態(tài)和十重態(tài)——都是由只有3個成員的基本組構成的。或許強子都是由一組更加基礎的三種粒子構成的？蓋爾曼和另一位美國人喬治·茨威格各自提出，強子確實是由這些基本實體構成的。茨威格稱它們?yōu)椤巴跖啤保贿^我們今天使用的名字來自蓋爾曼，他顯然喜歡詹姆斯·喬伊斯的小說《芬尼根的守靈夜》中“夸克”（quark）一詞的發(fā)音。

他們需要三種不同類型的夸克，即上夸克（u）、下夸克（d）和奇夸克（s），這又叫作夸克的三種味。和所有帶電粒子一樣，每種味都有電性與之相反的反夸克。通過把三個夸克結合起來，我們可以得到重子，也就是自旋為1/2的強子（比如質子，是下-上-上；或者中子，是下-下-上；或者Λ粒子，是下-上-奇）或者自旋為3/2的強子（比如Ω-，是奇-奇-奇）。

或者，我們可以把一個夸克和一個反夸克（電荷和奇異數(shù)正好相反）結合起來，得到自旋為“0”或者“1”的強子。它們叫作介子，包括帶電π介子（上夸克和反下夸克，或者反過來）和帶電K介子（上夸克和反奇夸克，或者反過來）。

夸克真的是粒子嗎

夸克的想法令人難以接受，因為它們的電荷數(shù)不是整數(shù)。19世紀，邁克爾·法拉第已經(jīng)證實，電荷總是某種單位電荷的倍數(shù)。1897年，湯姆森對電子的發(fā)現(xiàn)表明這個單位正是電子的電荷。然而新粒子打破了既定的規(guī)則，它的電荷是電子的2/3或-1/3。這似乎具有革命性的意義，令許多物理學家懷疑夸克會不會僅僅是數(shù)學算出來的人工產(chǎn)物，而不是真正的粒子。

但是夸克的真實性很快得到了實驗的支持（見圖1.2）。已經(jīng)有證據(jù)表明，質子和中子不是簡單的球形或者點狀物體，因為電子從它們身上反彈的方式很復雜。在20世紀60年代后期，加利福尼亞的物理學家們開展了更深入的研究：他們從斯坦福線性加速器中心3千米長的直線加速器中發(fā)射出一束電子，對準液氫標靶，測量了散射電子的能量和方向，以圖拼湊出質子的樣子。電子在每個質子內部都探測到了微小的點狀電荷凝聚：這證明質子確實包含更小的部分。最后，在20世紀70年代早期，日內瓦歐洲核子研究中心的研究人員證實，這些部分攜帶-1/3e和2/3e電荷，符合理論物理學家們之前的預測。

1974年，研究正負電子碰撞的實驗發(fā)現(xiàn)了第四種夸克存在的證據(jù)。這種新的夸克更重，后來被稱為“粲夸克”。這個名字有些來歷：它的存在非常有效地解決了某些特定的理論問題。在英語口語中，“非常有效地”可以表達為“l(fā)ike a charm”，于是它得名“charm quark”，又由于“charm”一詞有“魅力”“美貌”之意，它便有了中文名“粲夸克”。第五種更重的夸克，叫作底夸克，于1977年出現(xiàn)在美國伊利諾伊州費米實驗室的一項實驗中。在那里，實驗人員正在研究高能質子與目標碰撞產(chǎn)生的μ子-反μ子對。這一次，他們發(fā)現(xiàn)了一個比質子重10倍的新粒子的證據(jù)，這可以解釋為一種新的重夸克與它的反夸克結合。底夸克被發(fā)現(xiàn)之后，有些人希望把它改名為與“底”（bottom）詞首相同的“美”（beauty）夸克，不過最終“美夸克”這個名字雖然有人使用，但是談不上得到了廣泛的認可。最后，在1995年，費米實驗室的研究人員發(fā)現(xiàn)了第六種夸克，即頂夸克。在頂夸克身上發(fā)生了同樣的事情：有人希望給它一個與“頂”（top）詞首相同的名字，從而不會改變其縮寫，而又能夠與“美”呼應。他們選擇了“真”（truth），結果這個名字接受度還不如“美”，部分原因是，“真”這個字眼在科學和哲學中有著重大的意義，容易讓物理學門外漢們誤以為這種夸克有什么特別之處。

和奇夸克一樣，這三種新的味似乎都有其各自獨特的性質。例如，存在一種“粲”介子，它包含一個粲夸克和另一種反夸克。夸克可以從一種變化到另一種，而頂夸克、底夸克、粲夸克和奇夸克都能迅速地衰變?yōu)闃嫵善胀ㄎ镔|的上夸克和下夸克。

粒子物理學簡史

公元前5世紀

古希臘哲學家留基伯和德謨克利特推測物質是由不可分的粒子構成的，它們稱為原子。

1897年

約瑟夫·湯姆森發(fā)現(xiàn)電子，這是第一種被識別出的基本粒子。

1905年

愛因斯坦提出光是由不連續(xù)的能量粒子構成的，后來這些能量粒子被稱為光子。

1908—1911年

歐內斯特·盧瑟福的團隊發(fā)現(xiàn)了原子核。

20世紀20年代早期

盧瑟福等人意識到氫原子核——質子——是所有原子核的組成部分。

1923年

阿瑟·康普頓證實光子的行為像粒子。

1928年

保羅·狄拉克預言電子應該有一個帶正電荷的替身：正電子。

1930年

沃爾夫岡·泡利提出β衰變中明顯缺失的能量是被一種新粒子——中微子——帶走了。

1932年

正電子被發(fā)現(xiàn)。詹姆斯·查德威克發(fā)現(xiàn)原子核的第二種組成部分：中子。

1935年

湯川秀樹提出一種理論，認為一種中等重量的粒子——介子——在質子和中子之間傳遞強力。

1937年

一種質量相當于電子質量200倍的粒子在宇宙射線中被發(fā)現(xiàn)。后來人們證實它是電子的較重版本——μ子。

1947年

人們在宇宙射線的碰撞產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了π介子。這是攜帶強力的介子的第一個實例。

20世紀40年代晚期至50年代

物理學家們發(fā)現(xiàn)了一系列的新粒子，包括K介子、中性π介子、Δ粒子和Σ粒子。

1957年至1959年

朱利安·施溫格、西德尼·布魯?shù)侣椭x爾頓·格拉肖都發(fā)表了關于弱核力由重粒子攜帶的理論。他們的工作基于更早的“規(guī)范理論”。

1964年

默里·蓋爾曼和喬治·茨威格各自獨立地提出了一種基本粒子。蓋爾曼稱為夸克。

1964年

彼得·希格斯第一個明確預言了賦予質量的玻色子——最終這種粒子被賦予了他的名字。羅伯特·布勞特和弗朗索瓦·恩格勒等人也有過類似想法。

2012年

希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)。

1995年

第六種，也是最后一種夸克的味被探測到：頂夸克。

1983年

W玻色子和Z玻色子被探測到。

1976年

一種與電子和μ子類似，但是更重的基本粒子——τ輕子——被發(fā)現(xiàn)。

1973年

量子色動力學從夸克、膠子和色交換的角度描述強力。

1967年

斯蒂芬·溫伯格和阿布杜斯·薩拉姆把電磁力和弱力統(tǒng)一成一種“電弱”相互作用。