亚原子粒子与夸克

在20世纪30年代初，发现所有的原子核均有中子和质子组成，加上电子和光子，一共有4种粒子被称为基本粒子。后来人们认识到，原子核中的粒子——中子和质子（统称核子）之间存在一种以前人们不知道的力——后来称为核力，其强度极大，大致是电磁力的100倍，但力程短。每个核子只能影响邻近的核子。它们起着束缚、维持核稳定的作用。

在核中，就是这样依靠强而影响短的核力，与弱但影响长的电斥力相抗衡。谢天谢地，大部分原子核中，两者势均力敌，旗鼓相当，因此原子核是稳定的。核中的中子，由于不带电，既不产生电斥力，也不受电斥力影响，但是能增加核力的束缚。换言之，在电斥力与核力的对峙中，中子起着制衡的关键作用。

并非多余的小宇宙“砖石”——中子

可见没有中子，就不会有稳定的大自然。尤其是纷繁多样的中、重元素无从存在。我们今天就不会安详地沐浴大自然和煦的阳光，欣赏如此美丽动人的景色，领悟丰富多彩的人生。

中子除不带电以外，其他所有性质均与质子一样，质量略大于质子。质子与电子是稳定的，中子在核中也是稳定的或基本稳定的。但是离开核的自由中子却是不稳定的，其寿命大约15分钟。这里寿命的意思是统计意义上的，即在此期间有50%的概率衰变。实际上，自由中子是除电子与质子以外，寿命最长的粒子。

中子在原子核电斥力与核力的抗衡中，起着至为关键的作用。在这场搏击中，中子强化核力，帮助原子核的稳定，维系大自然的祥和与繁荣。中子的“参战”，导致在这场至关紧要的拳击赛中，核力不至于居下风。由此可见，中子决非上帝在构造宇宙中多余的砖石，或科学筵席上贫困沦落的乞丐，而是科学大厦中尊贵、重要的贵宾。

1947年π介子的发现证明了汤川理论的合理性。π介子与核子、电子之类的费米子不一样，是玻色子（boson），其自旋为1，有π﹢、π﹣、π0种。它的发现也是具有重要意义的，我们在后面的相互作用部分还会提到，它们在定性解释核力的产生机制方面，扮演着极为重要的角色。

但是，自此以后，一批不速之客联翩而至。它们的存在是物理学家原来完全未估计到的；其数量之多，行为之古怪，使得人们瞠目结舌，只得连声说：奇怪！奇怪原来的简洁的基本粒子图像完全破坏了。新的危机发生了。这些新粒子包含两大类：比π介子重，但比核子轻的K介子，如K0、（中性K介子的反粒子）、K﹢、K-；还有一类比核子更重的粒子，人们后来称之为超子，如Λ、Σ﹢、Σ0、Σ﹣、Ξ、Ξ﹣、Ξ﹢超子等。这些粒子的反粒子以后也相继发现。核子和超子质量一般比较大，统称为重子。其中Λ超子和Σ超子，是英国人罗切斯特和巴特勒于1947年在宇宙射线中发现的，K介子则是1949年由布利斯特尔小组在上述工作基础上发现的。Ξ超子则是美国加利福尼亚小组在1954年发现的。所有的超子寿命都很短，在10﹣10～10﹣11秒，其质量则在2183～2585倍电子质量。

物理学家们像发现新大陆的哥伦布一样，好奇地观察“新大陆”的子民们——这批新粒子的古怪行为：它们毫无例外地都是在强相互作用过程中产生的，而且都成双成对出现，如（即所谓并协产生）：

π（介子）＋p（质子）→Λ＋K0

但是其衰变则一律通过弱相互作用过程。其寿命均为10﹣10～10﹣11秒，正好说明这一点。它们的寿命虽然短暂，但比较它们产生时的相互作用过程却长1014倍！

20世纪40～50年代，物理学家对于这些问题伤透脑筋，为此赐予这些不速之客以佳名：奇异粒子。其中的超子与核子性质相近（都是费米子等），看来像有血缘关系。原子核内可以取代核子而容纳超子，相应的核叫超核。例如中性的Λ超子就可以取代1～2个中子，形成所谓超Λ核。

汤川秀树（1907～1981）

1960年，人们知道的轻子、介子与重子的数目将近30种了。大自然的无限慷慨，令人不知所措，平添许多淡淡的哀愁。

还有没有更多的基本粒子？这不断膨胀的清单，何时是“了”呢？

正当物理学家为奇异粒子煞费苦心的时候，不料更多的寿命更短的粒子——共振态粒子像流星雨一样，倾盆而下。

原来早在20世纪50年代初，费米、斯泰因伯格在芝加哥大学就观察到这种粒子的迹象：π介子与核子碰撞，其碰撞概率（就是碰撞的机会或碰撞的频率，也称碰撞截面）随π介子能量有明显上升。袁家骝与灵顿鲍进一步提高π的能量，碰撞概率上升，呈现险峻的峰值后就下降了。这种现象颇像振荡器的辐射频率与发射天线的调谐频率发生共振时，电磁波的强度急剧上升的情况。此时是π介子动能与质子——π介子之间位能发生共振。实际上，π介子在极短时间滞留于质子周围，形成新的复合粒子，但在很短的时间，又衰变为质子与π介子。人们后来称这个短命粒子为Δ﹢﹢。

依量子理论，一般容易计算出共振粒子的质量与寿命。质量就是π﹢与P的质心能量，Δ﹢﹢的质量为1236兆电子伏。至于寿命可根据共振峰的宽度Γ估算，一般宽度小（尖锐、峻峭）则寿命长，反之则寿命短。Γ的宽度约为115兆电子伏，相当于寿命τ＝5.7×10﹣24秒。袁家骝等发现的Δ﹢﹢是人类发现的第一个共振态粒子。共振态粒子的典型寿命是10﹣24秒。

20世纪50年代末，人们改进了寻找强相互作用过程中的共振粒子的方法，加上加速器能量不断提高和技术的改进，以及分析、测量仪器的精度提高和改良，共振态粒子大量涌现，使人目不暇接。强子的数目在成倍增长……

最初发现的共振态粒子是两个粒子的复合体，后来发现还有更复杂的复合体。到了20世纪60年代末，共振态粒子的种类早就突破100。到了20世纪80年代初，共振态粒子已有300多个，其中介子共振态100多个，重子共振态有200多个。目前共振态粒子有多少？恐怕超过400大关了吧。

20世纪60年代以后还发现几个寿命在10﹣19秒以上的粒子：寿命为10﹣10秒的K介子，以及寿命为0.82×10﹣10秒的Ω超子。这一类长寿命粒子，包括轻子、重子、光子大约30来个，但共振态粒子就有约400个。

难道会有500种基本粒子吗？20世纪50年代开始就有人发出疑问，并提出各种各样的基本粒子的结构模型，如费米—杨振宁模型、坂田昌一模型、核子的π原子模型、超子的哥德哈伯模型、福里斯对称模型、施温格双重模型等。

更准确地说，人们怀疑强子是否够资格戴上基本粒子的桂冠、对于强子的基本粒子的资格致命的冲击来自于加速器。现在人们已经明白，在这些粒子中，只有电子、μ子和中微子等是现代科学无法分析其内部结构，算得上真正的基本粒子。而其余的几百种粒子都参与强相互作用，因此称为强子，其实是由更基本的粒子所构成。这些更基本的粒子我们称为夸克。我们需要记住的是夸克是不能以自由的状态存在，这种现象叫夸克禁闭。研究夸克的性质必须借助于对于强子的测量和研究。通常所谓的亚原子粒子指轻子和强子，是可以观测的。