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对称性与粒子物理 从简单性到多样性 由相互之间有几种基本力作用的基本粒子来解释这个复杂多样的世界是20世纪物理学的一大成就。早在30年代我们只有三种基本粒子：质子和中子，由它们组成了原子核，还有电子，原子核加上电子组成了原子。电子由电磁作用束缚在原子内，因为它们被与其有相反电荷的原子核中的质子所吸引，但是为了使原子核不至于由于质子间的相互排斥力而瓦解，要求存在一种新的短程力——强作用。 这个简单的图象没有维持很长时间。一种与通常粒子某些性质（如质量）相同而有的性质（如电荷）相反的反粒子被预言，并且后来被发现了。在核8衰变中动量和能量守恒明显破坏导致发射另一种新粒子——中微子的假设。中微子不感受到电磁作用，也不感受到强作用，因此在p衰变实验中没有观察到。它可以由另一种新的短程力——弱作用产生，这个作用是如此之弱，使得中微子平均穿过像铁这样的材料几光年才能有作用的机会，因此被认为是无法观测的。然而，在50年代由核反应堆的放射性衰变产生了巨大的中微子流，从而探测到了中微子。此后有采用不同的源的很多实验观测到中微子：加速器、反应堆、太阳、超新星SNI 987A和宇宙线。 在50和60年代，宇宙线实验和新的大加速器的实验表明，如果质子等粒子以足够高的能量去撞击原子核，会有新的粒子产生，这可从将碰撞能量按照熟知的公式E—me’换算成静止质量得知。这些粒子是不稳定的，很快（大约10－23s，由于强作用，或者10－8s，10－10s，由于弱作用）衰变为较为稳定的粒子。到 70年代，所谓的“基本粒子”的数目已经超过化学元素的数目。 回到简单性 幸好现在又回到了简单性。现在只有两类基本粒子：夸克和轻子。夸克参加强作用，轻子则不参加强作用。在我们通常平均单个粒子的能量较低的环境里，每类只有两个粒子。电子和中微子是轻子。然而，质子和中子不再是基本的了，它们由两种或两个“味”的夸克——上（u）夸克和下（d）夸克——组成。每个质子或中子都由三个夸克组成，质子的组成为（uud），而中子的组成为（udd）。u夸克的电荷为＋2/3，而d夸克的电荷为－1/3。 在能量更高时，两个轻子和两个夸克的简单图象在重复，但只重复两次，这就形成了三代夸克和轻子，如图1所示。另外每个夸克和轻子都有反粒子，这样我们有夸克、反夸克、轻子和反轻子四类，每类6个粒子。 最后一个夸克——顶（t）夸克——是1995年发现的，第一个τ中微子（ντ）存在的直接证明是1998年发现的，这两件事都是美国的费米实验室做的。夸克和轻子都有内禀角动量或自旋1/2。这种粒子称为费米子，因为它们服从费米－狄拉克统计。质子、中子和其他由夸克组成的粒子形成强作用粒子，称为强子：它们由三个夸克、或三个反夸克、或一个夸克和一个反夸克构成。有些强子由三个相同的费米子组成：如（uuu）或（sss）。因为全同的费米子不可能处于相同的量子态，夸克被赋予一个称为“色”的附加特征，它可取三个值，如红绿蓝。当然，这些只是个名字。然而，所有的强子都是无色的，所以这里有一个类比，包含一个红、一个绿和一个蓝夸克的强子就像这三种颜色的光混合形成白光一样是无色的。 反夸克有相反的颜色和相反的味。 力 我们可以期待，所有的粒子都感受到引力作用，然而它与其他作用相比是非常非常弱的。例如，一个电子和一个质子间的电磁力要比它们之间的引力强1040倍。所有粒子都感受到弱力。夸克和带电轻子还都感受到电磁力，夸克都感受到强力。基本粒子相互作用的力由交换另一类型的客体来传输。力的携带者是玻色子，它有整数自旋并服从玻色—爱因斯坦统计。电磁力的携带者是自旋为1的光子。引力相信是由自旋为2的引力子传输的，但还没有探测到。 携带夸克间色力并因而将它们粘合在一起形成强子的东西是。胶子。与光子不同，胶子可以互相耦合。耦合的一个结果是强力随距离而增加。因此夸克被束缚在强子内，因为产生夸克一反夸克对要比进一步分开两个夸克能量上更有利。胶子是1979年在德国的DESY实验室首先发现的。强作用的理论——量子色动力学（QCD）是与实验协调发展的，尽管要很精确地检验它是很困难的。量度相互作用强度的耦合常数对强作用大约为0．12，而量子电动力学的精细结构常数只有1/137，这使得计算更困难。 开始，人们假设有一种带电的东西W粒子，负责传递弱力。费曼图可以使这个作用可视化。图2为β衰变中的弱作用，一个中子（自由的或在核中的）变成一个质子，因此d夸克变成了u夸克，发出一个W—玻色子，它衰变为一个电子和一个反中微子。 在60年代，理论家将明显不同的电磁力和弱力惊人地统一在一个理论框架中。电磁力有经典的反平方律和无穷大的力程。与此相反，在通常环境中，弱力是很微弱的而且是束缚在亚核距离内的。太阳中心的质子每秒要碰撞很多次，但是平均来