20世纪80年代以后,人们发现所有的强子均有6种夸克构成。6种夸克构成三代,呈现“代模式”结构的形式。其中第一代为μ夸克(上夸克)和d夸克(下夸克),第二代为粲夸克(c夸克)和奇异夸克(s夸克),第三代夸克为顶夸克(t夸克)和底夸克(b夸克)。最有趣的是后来人们发现,轻子也有六种:电子与电子型中微子ve、μ子与μ子型中微子vμ、τ子与τ子型中微子vτ。轻子也分三代,与夸克的三代模式相同,如下图所示。
上面说的三代轻子和夸克,实际上又可以称为有三种味道的轻子和夸克。这里的味道当然不是我们通常所说的酸甜苦辣,而是说在弱相互作用和电磁相互作用中显示不同性质的三种轻子和夸克。
现在谈谈轻子的准确物理概念。轻子的真实含义为只参加弱相互作用和电磁相互作用的基本粒子。当然,从轻子(Lepton)本意来说,lepton有小、细和轻的意思,又有最不值钱的硬币之意。就是说,物理学家开始认为轻子就是质量较小、的粒子。电子是人们发现的第一种轻子。
三代夸克结构
1936年,经过3年努力安德逊和尼德迈耶尔利用云雾室在宇宙线中发现一种带负电的粒子。因为其质量很大,是电子的200多倍,但比中子和质子的质量又小很多。有趣的是,其质量与日本物理学家汤川秀树预言的一种传递核力(强相互作用)的媒介粒子的质量相近,人们都误以为那就是汤川预言的粒子。但经过测量发现,这种粒子的寿命很长,约2微秒(2×10﹣6秒),完全不参加核力作用,当然也就不会是汤川预言的“介子”。换言之,这种粒子是物理学家以前不知道,而且谁也没有想到的不速之客。这种新粒子后来定名为μ﹣子(记作μ﹣),其物理性质与电子完全一样,但质量大得多,以致有人又称它们为重电子。这里补充一句,汤川预言的介子在第二次世界大战之后科学家发现了,现在称为π介子。π介子与μ子质量相当,但性质完全不同。π介子与中子和质子一样,都参与强相互作用,属于强子。强子除包括介子、核子以外,还包括质量更大的一类亚原子粒子——超子。
一个电子与一个质子结合为氢原子。如果用μ子换上电子,会形成特别的原子——μ氢原子。我国已故高能物理学家张文裕在1948年首先发现这种特别的原子。
电子与μ子质量较小,是最早发现的两种轻子。然而世界上的事,无奇不有。1975年美国斯坦福加速中心(SLAC)的马丁·佩尔领导的研究组(简称SLAC/LBL)利用SPEAR正负电子对撞机发现第三种带电的轻子,质量为质子的1.9倍。根据拉比迪斯建议,新粒子用希腊字母Τ﹣表示,取意为第三之义,即第三种带电的轻子。1977年,欧洲科学家在德国正负电子对撞机上进一步提供Τ﹣存在的证据,打消了人们此前存在的种种疑虑。
必须指出,美籍华裔科学家蔡永时对于Τ﹣轻子的发现做出过出色贡献。他在1971年撰文,题为《在e﹢e﹣→L﹢L﹣过程中重轻子的衰变的相关性》,他预言有重轻子存在的可能性,质量应为1.8吉电子伏(后来发现τ﹣的质量为1.777吉电子伏),并指出发现该粒子的可能途径,以及相应的各种衰变模式,建立了一整套的相关理论体系。其时蔡也在SLAC工作,其建议完全被佩尔等接受、采用,以致以后在τ﹣轻子的研究中,几乎无人不引用蔡的文章。所谓“无τ﹣不蔡”的佳话,就此流传天下。
τ﹣的性质,几乎与e﹣、μ﹣完全一样。使人吃惊的是,其质量却是异常的大,几乎是质子的2倍,电子的4000倍!其寿命只有10﹣13秒,通过弱相互作用衰变,如:
就其性质,应归于e﹣、μ﹣类的轻子家族。但质量又是如此大,于是便有“超重轻子”这样自相矛盾的称呼。但是,此类不合逻辑但已约定俗成的表述,在物理学或在科学中又何止一例呢!
我国北京正负电子对撞机(BEPL)对轻子质量的测量是具有领先世界水平的杰出工作。自1991年11月起,我国学者郑志鹏等与美国学者合作,利用对撞机对Γ轻子的质量进行了测量,其结果为:
这个值比原来国际上公认的数值下降了7.2兆电子伏,即降低了两个标准误差,精度提高了5~6倍。这一结果澄清了当时学术界的一些分歧,被李政道先生誊为当时1~2年间高能物理学界的最大进展。
最奇怪的是,这三类轻子都会衰变,并具有对应的中微子。例如:最早发现的在中子β衰变中释放的便是电子性中微子:
同样,μ子也有自己的“伴侣”,其对应中微子称为μ子型中微子;τ子对应的中微子称为τ子型中微子。中微子的反粒子称为反中微子。关于反粒子的概念我们下面要仔细谈到。一般称电子e﹣及其反粒子e﹢,加上相应的中微子称为轻子族的第一代;μ﹣及其反粒子μ﹢,加上相应的中微子为第二代;τ﹣及其反粒子τ﹢,加上相应的中微子为第三代。它们的性质极类似,不参与强相互作用,都有自旋,其值为1/2,是费米子,遵从泡利不相容原理。奇怪的是,其质量一代比一代大,而且大许多。更加奇怪的是,每个轻子还有一个窈窕玲珑的伴侣——中微子。三代轻子族又称三味轻子族,味这里是表示粒子在参与弱与电磁相互作用时所表现的特征行为。
强子在20世纪60年代以前,认为是基本粒子,但是由于高能物理实验的不断进步,尤其是深度非弹性的电子散射实验,导致夸克模型的出现和实验确证。现在人们知道所有的强子都是由6种夸克构成的。
味物理是描述粒子在弱和电磁相互作用下粒子的特性。对于夸克来说,除了味物理之外,他们还参与强相互作用。描写强相互作用的理论,称为色动力学,也就是“颜色”的动力学。这里的“颜色”也不是我们通常所说的红橙黄绿蓝靛紫,而是表示在强相互作用下夸克的特质。现在我们知道夸克在强相互作用下有红、绿、蓝三种颜色。总之,夸克有味(相对于弱和电磁相互作用),也有色(相对于强相互作用);轻子无色(不参与强相互作用),但是有味(相对于弱相互作用)。本书介绍的主角是中微子,属于轻子,不参与强相互作用,因此是无色的。
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