FHSST 物理/原子核/粒子物理

粒子物理

為了解釋$\beta$ 衰變，並理解中子的內部結構，物理學的一個新分支誕生了，即粒子物理。探索亞原子粒子結構的唯一方法是用其他粒子撞擊它們，以擊出它們的組成部分。簡單的邏輯是：衝擊力越大，就能擊出越小的部分。

最初，用來撞擊其他粒子的唯一高能粒子來源是宇宙射線。地球不斷受到來自外太空的各種粒子的轟擊。大氣層保護我們免受大多數宇宙射線的影響，但仍有許多射線到達地面。

反粒子

1932 年，卡爾·安德森使用氣泡室研究宇宙射線時，拍攝到兩條對稱的帶電粒子軌跡的照片。對軌跡曲率的測量表明，一條軌跡屬於電子，另一條是由一個質量相同，但電荷相等且為正的粒子產生的。這些粒子是在宇宙$\gamma$ 量子與原子核發生碰撞時產生的。

發現的粒子被稱為正電子，表示為$e^{+}$，以區別於有時表示為$e^{-}$ 的電子。這是發現的第一個反粒子。後來，人們發現每個粒子都有其映象，即反粒子。為了表示反粒子，在粒子符號上加一個橫線。例如，${\bar {p}}$ 是反質子，它與普通質子具有相同的質量，但帶負電。

當一個粒子與它的映象發生碰撞時，它們就會湮滅，即完全燃燒殆盡。在此碰撞中，它們的全部質量會轉化為電磁能量，以$\gamma$ 量子的形式釋放出來。例如，如果電子與正電子發生碰撞，可能會發生以下反應

${\begin{matrix}e^{-}+e^{+}\,\longrightarrow \,\gamma +\gamma \ ,\end{matrix}}$

其中需要兩個光子來守恆系統的總動量。

原則上，穩定的反物質可以存在。例如，${\bar {p}}$ 和 $e^{+}$ 可以形成一個反氫原子，它與普通氫原子具有完全相同的能級。在實驗中，已經獲得了反氦原子。它們的問題是，在普通物質的包圍下，它們無法存活很長時間。與普通原子發生碰撞，它們會很快湮滅。

有人推測，我們的宇宙在粒子與反粒子方面應該是對稱的。事實上，為什麼物質應該優先於反物質？這意味著在某個非常遙遠的地方，一定存在著等量的反物質，即反宇宙。你能想象它們相遇會發生什麼嗎？

μ 子、介子和其他粒子

在又一次宇宙射線實驗中，科學家於1935年發現了一種與電子具有相同性質但質量約為電子 207 倍的粒子。該粒子被命名為μ子，符號為$\mu$。長期以來，μ子被認為是世界圖景中多餘的粒子。直到現代理論將μ子作為物質組成部分和諧地包含在內（參見基本粒子：夸克和輕子）。

同樣無窮無盡的宇宙射線在1947年揭示了$\pi$ 和 $K$ 介子。 $\pi$ 介子（或簡稱為π介子）在理論上被湯川秀樹預測了12年，作為核子之間強相互作用的媒介。然而，$K$ 介子是意想不到的。此外，它們表現出非常奇怪的行為。它們只能成對產生。逆過程（即衰變）的機率是$10^{13}$ 倍低於它們的產生機率。

有人建議這些粒子具有新的型別的電荷，稱為奇異性，它在強相互作用中守恆。當一對這樣的粒子產生時，其中一個具有奇異性$+1$，另一個具有$-1$，因此總奇異性保持為零。當衰變時，它們會單獨作用，因此奇異性不守恆。根據建議，這隻能透過弱相互作用實現，弱相互作用遠弱於強相互作用（參見第基本粒子：自然力節），因此衰變機率要低得多。

粒子物理學的黃金時代始於20世紀50年代，當時粒子加速器出現了，這些機器可以產生具有高動能的電子或質子束。有了這樣的粒子束，實驗人員可以計劃實驗並重復實驗，而宇宙射線則完全依賴於偶然性。當加速器成為探索的主要工具時，粒子物理學獲得了它的第二個名字，即高能物理學。

在過去半個世紀中，實驗人員發現了許多新的粒子（表15.5中列出了一些粒子），很明顯它們不可能都是基本粒子。當它們相互碰撞時，會產生其他粒子。粒子之間的相互轉化是它們的主要屬性。

表：不同粒子家族的一些代表。 家族 粒子 符號 質量（MeV） 平均壽命（s） 光子 光子 $\gamma$ 0 穩定 電子 $e^{-}$，$e^{+}$ 0.511 穩定 μ子 $\mu ^{-}$，$\mu ^{+}$ 105.7 $2.2\times 10^{-6}$ 輕子 τ子 $\tau ^{-}$，$\tau ^{+}$ 1777 $10^{-13}$ 電子中微子 $\nu _{e}$ $\sim 0$ 穩定 μ介子中微子 $\nu _{\mu }$ $\sim 0$ 穩定 τ中微子 $\nu _{\tau }$ $\sim 0$ 穩定 π介子 $\pi ^{+}$, $\pi ^{-}$ 139.6 $2.6\times 10^{-8}$ π介子 $\pi ^{0}$ 135.0 $0.8\times 10^{-16}$ K介子 $K^{+}$, $K^{-}$ 493.7 $1.2\times 10^{-8}$ K介子 $K_{S}^{0}$ 497.7 $0.9\times 10^{-10}$ 強子 K介子 $K_{L}^{0}$ 497.7 $5.2\times 10^{-8}$ η介子 $\eta ^{0}$ 548.8 $10^{-18}$ 質子 $p$ 938.3 穩定 中子 $n$ 939.6 900 Λ粒子 $\Lambda ^{0}$ 1116 $2.6\times 10^{-10}$ Σ粒子 $\Sigma ^{+}$ 1189 $0.8\times 10^{-10}$ Σ粒子 $\Sigma ^{0}$ 1192 $6\times 10^{-20}$ Σ粒子 $\Sigma ^{-}$ 1197 $1.5\times 10^{-10}$ omega $\Omega ^{-}$ 1672 $0.8\times 10^{-10}$

物理學家面臨著粒子分類問題，類似於動物、植物和化學元素分類的問題。第一種方法非常簡單。根據粒子的質量，將粒子分為四組：輕子（輕粒子，如電子），介子（中等質量，如π介子），重子（重粒子，如質子或中子）和超子（非常重的粒子）。

然後人們意識到，根據粒子透過弱力、電磁力和強力的相互作用能力，將粒子分為三個家族將更合乎邏輯（除此之外，所有粒子都會相互體驗引力）。除了引力相互作用外，光子（$\gamma$ 量子）只參與電磁相互作用，輕子參與弱力和電磁相互作用，而強子能夠透過自然界的所有力相互作用（見 基本粒子：自然力）。

除了奇異性的守恆外，還發現了其他幾個守恆定律。例如，輕子數是守恆的。這就是為什麼在反應 (15.6) 中，我們在最終狀態下有一個電子（輕子數 $+1$）和反中微子（輕子數 $-1$）。類似地，重子數在所有反應中都是守恆的。

尋找中子的組成部分的探索帶我們走向了意想不到的東西。我們發現有數百種不同的粒子可以從中子中擊出，但它們都不是中子的組成部分。實際上，中子本身可以從其中的一些粒子中被擊出！多麼混亂！實驗者的進一步努力無法找到秩序，最後是由理論學家發現的，他們引入了夸克的概念。