目前发现了多少种粒子？-粒子-物理学习资料
编辑： admin 2017-04-03
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从汤姆孙发现电子到1932年发现中子,人们认识到质子、中子、电子和光子可以称为基本粒子.当时一度认为一切都已搞清楚：质子和中子构成一切原子核；原子核和电子则构造了自然界的一切原子和分子,而光子仅仅是构成光与电磁波的最小单元.然而好景不长,对物质结构的这样一种“圆满”的解释并没能持续多久,人们很快发觉当时所发现的基本粒子不能圆满地解释核力. 第一代： 1935年著名的日本物理学家汤川秀树（1907～1981年）大胆假设,很可能还有未曾发现的新粒子.汤川秀树认为,就像电磁相互作用是通过交换光子而实现的那样,核力是通过核子间交换一种介子而实现的.他还估算出了这种粒子的质量大约是电子质量的200倍.两年之后,美国物理学家卡尔·戴维·安德孙（1905～ 年）在宇宙射线中发现了一种带电粒子,它的质量是电子的200倍左右,被命名为“m（缪）介子”.理论预言的成功使人们倍感欣慰,但进一步的考察却令人十分扫兴.因为这种m介子根本不与核子相互作用,很明显,它不可能是汤川秀树所预言的粒子. 1947年,巴西物理学家塞色,M·G·拉帝斯等人利用核乳胶在宇宙射线中又发现了一种介子——p介子.p介子的性质完全符合汤川秀树的预言,能够解释核力.实际上,“m介子”不是介子而是一种轻子,所以现在将m介子称为“m子”.到1947年,人们认识的粒子已达14种之多.其中包括当时已发现的光子（g）,正负电子（e±),正负m 子（m ±),三种p介子（p±, p0）,质子（p）和中子（n）10种；另外4种就是1956年在实验室中被发现的正反电子中微子（按此在新窗口浏览图片） 、反质子（按此在新窗口浏览图片）和反中子（按此在新窗口浏览图片）.这14种粒子各有用武之地,其中质子、中子和电子构成一切稳定的物质；光子是电磁力的传递者,p介子传递核力,中微子在b衰变中扮演不可缺少的角色（b衰变是原子核自发地放射出电子或正电子,或者俘获原子内电子轨道上的一个电子,而发生的转变）；而m子则在宇宙射线中出现.以上这些就构成了第一代粒子. 第二代： 稳定的秩序似乎并没有维持多久,“完满”的旧理论很快就被一系列新的疑问所冲破.在发现p 介子的1947年,人们利用宇宙射线在云室中拍下了两张有V字形径迹的照片,衰变产物是p±介子和质子（p）.这两种径迹不能用任何当时已发现的第一代粒子来解释,于是人们很自然的想到,这一定是两种未发现的粒子衰变所形成的.在之后的几年里,人们拍摄了十多万张宇宙射线照片,终于发现了这两种不带电的新粒子.其中一个质量为电子质量的1000倍,现在被叫做“k0介子”；另一个约为电子质量的2200倍,现在称为 l粒子（读“兰布塔”）.我们称它们为第二代粒子,这是因为它们有两个明显的特点：(1) 产生快,衰变慢；(2) 成对（协同）产生,单个衰变.这些特点用过去的理论是无法解释的,所以又称它们为“奇异粒子”. 为了对这些奇异粒子进行定量研究,光靠宇宙射线是不够的.50 年代初,一些大型加速器陆续建成,使人们有可能利用加速器所加速的粒子来轰击原子核,以研究奇异粒子. 到1964年人们又陆续发现了一批奇异粒子,使人们发现的粒子种类达到了33种.这些奇异粒子统称为“第二代粒子”. 第三代： 如果我们把已发现的30多种粒子按它们的稳定程度来分类,那么其中有的粒子是稳定的,例如质子、电子等；有的粒子却要自发地衰变成其它粒子,例如m ±、p±、π0、k0、λ0……等.它们衰变的时间一般在10-20 ～10-16秒或大于10-10秒,分别属于电磁作用衰变和弱作用衰变.到了60年代,由于加速器的能量逐步提高和高能探测器的迅速发展,在实验上也发现了衰变时间在10-24～10-23秒范围的快衰变粒子,其衰变属强作用衰变.这些粒子被称为“共振态粒子”,也称“第三代粒子”.由于它们的出现,使粒子种类猛增到上百. 而如今LHC是这些“大炮”中最强大的.它埋藏在法国、瑞士边境的地下.巨大的圆形隧道,周长超过27千米.实验管道将维持在—271℃的极低温.这时会出现奇妙的超导现象,粒子在管道中将几乎不受任何阻力,因此,它们可以以让人惊讶的速度发射出去——那将是光速的99.9999991%.尽管这些粒子的质量非常小,但超高的速度使之带上了巨大能量.一旦它们彼此相互碰撞,将发生剧烈的爆炸.科学家们希望,这样的爆炸能抛出一种名叫希格斯子的基本粒子.此前,科学家们只是通过运算而预言了它的存在,它也是所有已知基本粒子中,惟一尚未被找到的一个了. 然而,尚未正式“出生”的LHC,命运已然多舛.由于它的工作温度接近“绝对零度”,所以在启动前它必须完成降温工作,并进行相应试运行.但一旦出现问题,就必须又恢复到室温修理.这种反复升温、降温的工作让LHC的启动时间不断推迟.今年5月启动的原计划,已经没有可能了. 另一方面,LHC也在公众中引起了一些恐慌.两名美国科学工作者正式起诉了LHC及其主要建设单位.他们认为,LHC可能会制造出黑洞或“奇异粒子”,毁灭地球. 不过,在物理学家看来,“LHC毁灭地球”的说法实在是无稽之谈.但他们同样有一些其他的担心.中科院高能物理研究所所长陈和生告诉《新知周刊》,LHC的初衷是找到希格斯子,但是否能找到它,谁也不能打包票. 史上最大强子对撞机今夏启动,有望找到“希格斯粒子” LHC 揭开物质世界最后的秘密 今年夏季,大型强子对撞机将投入使用.这是世界上最大、能量最高的粒子加速器,是一种将质子加速对撞的高能物理设备,英文名称为LHC(Large Hadron Collider).它同时也是人类建造的最大规模机械装置和最大规模的超导设备. LHC是个圆形加速器,深埋于地下100米.其环状隧道有27千米长,大得可以将百慕大、摩纳哥或者4个梵蒂冈塞进它所占的区域内.然而,近日来,两位美国科研人员却将LHC的主要研制方欧洲核子研究中心(CERN)告上法庭,认为LHC产生的黑洞不会消失,或会产生“杀手奇异子”,而两者结果都将导致地球的毁灭.
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20世纪60年代,美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——夸克(quark)组成的,很多中国物理学家称其为“层子”.它们具有分数电荷,是电子电量的2/3或-1/3倍,自旋为1/2.“夸克”一词是由默里·盖尔曼改编自詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根彻夜祭》(Finnegan's Wake)中的诗句.最初解释强相互作用粒子的理论需要三种夸克,叫做夸克的三种味,它们分别是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇异夸克 (strange,s).1974年发现了J/ψ粒子,要求引入第四种夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c).1977年发现了Υ粒子,要求引入第五种夸克底夸克(bottom,b).1994年发现第六种夸克顶夸克(top,t),人们相信这是最后一种夸克.
夸克理论认为,所有的重子都是由三个夸克组成的,反重子则是由三个相应的反夸克组成的.比如质子(uud),中子(udd).夸克理论还预言了存在一种由三个奇异夸克组成的粒子(sss),这种粒子于1964年在氢气泡室中观测到,叫做负ω粒子.
夸克按其特性分为三代,如下表所示：
符号 中文名称 英文名称 电荷(e) 质量(GeV/c^2)
u 上夸克 up +2/3 0.004
d 下夸克 down -1/3 0.008
c 粲(魅)夸克 charm +2/3 1.5
s 奇异夸克 strange -1/3 0.15
t 顶夸克 top +2/3 176
b 底夸克 bottom -1/3 4.7
在量子色动力学中,夸克除了具有“味”的特性外,还具有三种“色”的特性,分别是红、绿和蓝.这里“色”并非指夸克真的具有颜色,而是借“色”这一词形象地比喻夸克本身的一种物理属性.量子色动力学认为,一般物质是没有“色”的,组成重子的三种夸克的“颜色”分别为红、绿和蓝,因此叠加在一起就成了无色的.因此计入6种味和3种色的属性,共有18种夸克,另有它们对应的18种反夸克.
夸克理论还认为,介子是由同色的一个夸克和一个反夸克组成的束缚态.例如,日本物理学家汤川秀树预言的[[π+介子]]是由一个上夸克和一个反下夸克组成的,π-介子则是由一个反上夸克和一个下夸克组成的,它们都是无色的.
除顶夸克外的五种夸克已经通过实验发现它们的存在,华裔科学家丁肇中便因发现粲夸克而获诺贝尔物理学奖.近十年来高能粒子物理学家的主攻方向之一是顶夸克 (t).
至于1994年最新发现的第六种“顶夸克”,相信是最后一种,它的发现令科学家得出有关夸克子的完整图像,有助研究在宇宙大爆炸之初少于一秒之内宇宙如何演化,因为大爆炸最初产生的高热,会产生顶夸粒子.
研究显示,有些恒星在演化末期可能会变成“夸克星”.当星体抵受不住自身的万有引力不断收缩时,密度大增会把夸克挤出来,最终一个太阳大小的星体可能会萎缩到只有七、八公里那么大,但仍会发光.
夸克理论认为,夸克都是被囚禁在粒子内部的,不存在单独的夸克.一些人据此提出反对意见,认为夸克不是真实存在的.然而夸克理论做出的几乎所有预言都与实验测量符合的很好,因此大部分研究者相信夸克理论是正确的.
1997年,俄国物理学家戴阿科诺夫等人预测,存在一种由五个夸克组成的粒子,质量比氢原子大50％.2001年,日本物理学家在SP环－8加速器上用伽马射线轰击一片塑料时,发现了五夸克粒子存在的证据.随后得到了美国托马斯·杰裴逊国家加速器实验室和莫斯科理论和实验物理研究所的物理学家们的证实.这种五夸克粒子是由2个上夸克、2个下夸克和一个反奇异夸克组成的,它并不违背粒子物理的标准模型.这是第一次发现多于3个夸克组成的粒子.研究人员认为,这种粒子可能仅是“五夸克”粒子家族中第一个被发现的成员,还有可能存在由4个或6个夸克组成的粒子.
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