基本粒子

定義

基本粒子（Elementary particle），物理學(xué)術(shù)語(yǔ)，指人們認(rèn)知的構(gòu)成物質(zhì)的最小或/及最基本的單位，是組成各種各樣物體的基礎(chǔ)。即：在不改變物質(zhì)屬性的前提下的最小體積物質(zhì)。

特征

大小

基本粒子是組成各種各樣物體的基礎(chǔ)，基本粒子要比原子、分子小得多，現(xiàn)有最高倍的電子顯微鏡也不能觀察到。質(zhì)子、中子的大小，只有原子的十萬(wàn)分之一。而輕子和夸克的尺寸更小，還不到質(zhì)子、中子的萬(wàn)分之一。

質(zhì)量

粒子的質(zhì)量是粒子的另外一個(gè)主要特征量。按照粒子物理的規(guī)范理論，所有規(guī)范粒子的質(zhì)量為零。而規(guī)范不變性以某種方式被破壞了，使夸克、輕子、中間玻色子獲得質(zhì)量?，F(xiàn)有的粒子質(zhì)量范圍很大。光子、膠子是無(wú)質(zhì)量的，電子質(zhì)量很小，π介子質(zhì)量為電子質(zhì)量的280倍；質(zhì)子、中子都很重，接近電子質(zhì)量的2000倍。

已知最重的粒子是頂夸克。已發(fā)現(xiàn)的六種夸克，從下夸克到頂夸克，質(zhì)量從輕到重。中微子的質(zhì)量非常小，己測(cè)得的中微子的質(zhì)量為電子質(zhì)量的七萬(wàn)分之一。

壽命

粒子的壽命是粒子的第三個(gè)主要特征量。電子、質(zhì)子、中微子是穩(wěn)定的，稱(chēng)為"長(zhǎng)壽命"粒子；而其他絕大多數(shù)的粒子是不穩(wěn)定的，即可以衰變。一個(gè)自由的中子會(huì)衰變成一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)電子和一個(gè)中微子；一個(gè)π介子衰變成一個(gè)μ子和一個(gè)中微子。粒子的壽命以強(qiáng)度衰減到一半的時(shí)間來(lái)定義。質(zhì)子是最穩(wěn)定的粒子，實(shí)驗(yàn)已測(cè)得的質(zhì)子壽命大于10的33次方年。

對(duì)稱(chēng)性

粒子與粒子之間具有對(duì)稱(chēng)性。有一種粒子，必存在一種反粒子。1932年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與電子質(zhì)量相同但帶一個(gè)正電荷的粒子，稱(chēng)為正電子；后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)帶負(fù)電、質(zhì)量與質(zhì)子完全相同的粒子，稱(chēng)為反質(zhì)子；隨后各種反夸克和反輕子也相繼被發(fā)現(xiàn)。一對(duì)正、反粒子相碰可以湮滅，變成攜帶能量的光子，即粒子質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?；反之，兩個(gè)高能粒子碰撞時(shí)有可能產(chǎn)生一對(duì)新的正、反粒子，即能量也可以轉(zhuǎn)變成具有質(zhì)量的粒子。

自旋

粒子還有另一種屬性—自旋。自旋為半整數(shù)的粒子稱(chēng)為費(fèi)米子，為整數(shù)的稱(chēng)為玻色子。

首先對(duì)基本粒子提出自轉(zhuǎn)與相應(yīng)角動(dòng)量概念的是1925年由Ralph Kronig、George Uhlenbeck與Samuel Goudsmit三人所為。然而爾后在量子力學(xué)中，透過(guò)理論以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)基本粒子可視為是不可分割的點(diǎn)粒子，是故物體自轉(zhuǎn)無(wú)法直接套用到自旋角動(dòng)量上來(lái)，因此僅能將自旋視為一種內(nèi)在性質(zhì)，為粒子與生俱來(lái)帶有的一種角動(dòng)量，并且其量值是量子化的，無(wú)法被改變（但自旋角動(dòng)量的指向可以透過(guò)操作來(lái)改變）。

守恒

物質(zhì)是不斷運(yùn)動(dòng)和變化的，在變化中也有些東西不變，即守恒。粒子的產(chǎn)生和衰變過(guò)程就要遵循能量守恒定律。此外還有其他的守恒定律，例如質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、角動(dòng)量守恒，以及微觀現(xiàn)象中不連續(xù)的宇稱(chēng)守恒、電荷守恒，還有重子數(shù)守恒、輕子數(shù)守恒、奇異數(shù)守恒、同位旋守恒等。

雙重屬性

微觀世界的粒子具有雙重屬性粒子性和波動(dòng)性。描述粒子的粒子性和波動(dòng)性的雙重屬性，以及粒子的產(chǎn)生和消滅過(guò)程的基本理論是量子場(chǎng)論。量子場(chǎng)論

|| ||

和規(guī)范理論十分成功地描述了粒子及其相互作用。

分族特性

注：表中粒子的質(zhì)量是按能量單位1MeV（兆電子伏）給出的。如果與日常單位比較1MeV相當(dāng)于以1kW功率工作1.6*10^-16s.

結(jié)構(gòu)

基本粒子的秘密

1932年，狄拉克關(guān)于正電子存在的預(yù)言被證實(shí)，1936年安德森因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1955年塞格雷和錢(qián)伯林利用高能加速器發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子，他們因此獲1959年物理獎(jiǎng)。第二年又有人發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子。

1959年王淦昌等人發(fā)現(xiàn)了反西格瑪負(fù)超子。這些都為反物質(zhì)的存在提供了證據(jù)。萊因斯等利用大型反應(yīng)堆，經(jīng)過(guò)3年的努力，終于在1956年直接探測(cè)到鈾裂變過(guò)程中所產(chǎn)生的反中微子。他因此獲1995年物理學(xué)獎(jiǎng)。到1968年，人們才探測(cè)到了來(lái)自太陽(yáng)的中微子。

1947年鮑威爾利用自己發(fā)明的照相乳膠技術(shù)在宇宙線(xiàn)中找到了1934年湯川秀樹(shù)提出的介子場(chǎng)理論中預(yù)言的介子。湯川秀樹(shù)獲1949年物理獎(jiǎng)，鮑威爾獲1950年物理獎(jiǎng)。

到50年代末，基本粒子的數(shù)目已達(dá)30種。這些粒子絕大多數(shù)是從宇宙射線(xiàn)中發(fā)現(xiàn)的。自1951年費(fèi)米首次發(fā)現(xiàn)共振態(tài)粒子以來(lái)，至80年代已發(fā)現(xiàn)的共振態(tài)粒子達(dá)300多種。

所有的基本粒子都是共振態(tài)，共振態(tài)的發(fā)現(xiàn)其實(shí)已經(jīng)揭開(kāi)了基本粒子的秘密，即所有的基本粒子都是共振態(tài)。共振態(tài)分二類(lèi)，一類(lèi)是不穩(wěn)定的，如強(qiáng)子類(lèi)；另一類(lèi)是穩(wěn)定的，如電子，中子等。它們不容易發(fā)生自發(fā)衰變。不存在絕對(duì)穩(wěn)定的基本粒子，如電子在一定的條件下也會(huì)堙滅（與正電子相遇時(shí)）。產(chǎn)生基本粒子的外因是物質(zhì)波的交匯，交匯處形成波包。內(nèi)因是交匯處發(fā)生了共振，客觀表現(xiàn)為共振態(tài)——即基本粒子的產(chǎn)生。

夸克模型

基本粒子如此之多，難道它們真的都是最基本、不可分的嗎？近40年來(lái)大量實(shí)驗(yàn)實(shí)事表明至少?gòu)?qiáng)子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。1964年蓋爾曼提出了夸克模型，認(rèn)為介子是由夸克和反夸克所組成，重子是由三個(gè)夸克組成。他因此獲1969年物理獎(jiǎng)。1990年弗里德曼、肯德?tīng)柡吞├找蛟诹Ｗ游锢韺W(xué)夸克模型發(fā)展中的先驅(qū)性工作而獲物理獎(jiǎng)。1965年，費(fèi)曼、施溫格、朝永振一郎因在量子電動(dòng)力學(xué)重整化和計(jì)算方法的貢獻(xiàn)，對(duì)基本粒子物理學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響而獲物理獎(jiǎng)。溫伯格和薩拉姆等以夸克模型為基礎(chǔ)，完成了描述電磁相互作用和弱相互作用的弱電統(tǒng)一理論。他們因此而獲1979年物理獎(jiǎng)。統(tǒng)一場(chǎng)論的發(fā)展正向著把強(qiáng)相互作用統(tǒng)一起來(lái)的大統(tǒng)一理論和把引力統(tǒng)一進(jìn)來(lái)的超統(tǒng)一理論前進(jìn)。并且這種有關(guān)小宇宙的理論與大宇宙研究的結(jié)合，正在推進(jìn)著宇宙學(xué)的進(jìn)展。

如今，人類(lèi)為了把宇宙中的四大基本力統(tǒng)一起來(lái)，于是Gabriele Veneziano創(chuàng)造了弦論，弦論的一個(gè)基本觀點(diǎn)就是，自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類(lèi)的粒子。這些看起來(lái)像粒子的東西實(shí)際上都是很小很小的弦的閉合圈（稱(chēng)為閉合弦或閉弦），閉弦的不同振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)就產(chǎn)生出各種不同的基本粒子。它已經(jīng)成為人類(lèi)探尋宇宙奧秘的一個(gè)非常重要的理論

粒子種類(lèi)

強(qiáng)子

強(qiáng)子就是所有參與強(qiáng)力作用的粒子的總稱(chēng)。它們由夸克組成，已發(fā)現(xiàn)的夸克有六種，它們是：頂夸克、上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克和底夸克。其中理論預(yù)言頂夸克的存在，2007年1月30日發(fā)現(xiàn)于美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室。

現(xiàn)有粒子中絕大部分是強(qiáng)子，質(zhì)子、中子、π介子等都屬于強(qiáng)子。另外還發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)，有著名的反夸克，現(xiàn)已被發(fā)現(xiàn)且正在研究其利用方法，由此推測(cè)，甚至可能存在反地球，反宇宙。奇怪的是夸克中有些竟然比質(zhì)子還重，這一問(wèn)題還有待研究。

輕子

輕子就是只參與弱力、電磁力和引力作用，而不參與強(qiáng)相互作用的粒子的總稱(chēng)。與玻色子和夸克不同。所有已知帶電輕子都可帶有一正電荷或一負(fù)電荷，視乎他們是粒子還是反粒子。所有中微子和它們的反粒子都是電中性的。輕子共有六種，包括電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。

電子、μ子（渺子）、τ子（陶子，重輕子）三種帶一個(gè)單位負(fù)電荷的粒子，分別以e-、μ-、τ-表示，以及它們分別對(duì)應(yīng)的電子中微子、μ子中微子、τ子中微子三種不帶電的中微子，分別以ve、νμ、ντ表示。加上以上六種粒子各自的反粒子，共計(jì)12種輕子。(所有的中微子都不帶電，且所有的中微子都存在反粒子)。τ子是1975年發(fā)現(xiàn)的重要粒子，不參與強(qiáng)作用，屬于輕子，但是它的質(zhì)量很重，是電子的3600倍，質(zhì)子的1.8倍，因此又叫重輕子。

傳播子

傳播子也屬于基本粒子。傳遞強(qiáng)作用的膠子共有8種，1979年在三噴注現(xiàn)象中被間接發(fā)現(xiàn)，它們可以組成膠子球，由于色禁閉現(xiàn)象，至今無(wú)法直接觀測(cè)到。光子傳遞電磁相互作用，而傳遞弱作用的W+，W-和Z0，膠子則傳遞強(qiáng)相互作用。重矢量玻色子是1983年發(fā)現(xiàn)的，非常重，是質(zhì)子的80一90倍。

費(fèi)米子

基本費(fèi)米子分為2類(lèi)：夸克和輕子

實(shí)驗(yàn)顯示共存在6種夸克（quark），和他們各自的反粒子。這6種夸克又可分為3“代”。他們是

第一代：u（上夸克）d（下夸克）

第二代：s（奇異夸克）c（粲夸克）

第三代：b（底夸克）t（頂夸克）

另外值得指出的是，他們之所以未能被早期的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，原因是夸克決不會(huì)單獨(dú)存在（頂夸克例外，但是頂夸克太重了而衰變又太快，早期的實(shí)驗(yàn)無(wú)法制造）。他們總是成對(duì)的構(gòu)成介子，或者3個(gè)一起構(gòu)成質(zhì)子和中子這一類(lèi)的重子。這種現(xiàn)象稱(chēng)為夸克禁閉理論。這就是為什么早期科學(xué)家誤以為介子和重子是基本粒子。

輕子，共存在6種輕子（lepton）和他們各自的反粒子。其中3種是電子和與它性質(zhì)相似的μ子和τ子。而這三種各有一個(gè)相伴的中微子。他們也可以分為三代：

第一代：e（電子）（電中微子）

第二代：（μ子）（μ中微子）

第三代：（τ子）（τ中微子）

玻色子

玻色子（英語(yǔ)：boson）是依隨玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)，自旋為整數(shù)的粒子。

這是一類(lèi)在粒子之間起媒介作用、傳遞相互作用的粒子。之所以它們稱(chēng)為“規(guī)范玻色子”，是因?yàn)樗鼈兣c基本粒子的理論楊-米爾斯規(guī)范場(chǎng)理論有很密切的關(guān)系。

自然界一共存在四種相互作用，因此也可以把規(guī)范玻色子分成四類(lèi)。

引力相互作用：引力子（graviton）

電磁相互作用：光子（photon）

弱相互作用（使原子衰變的相互作用）：W及Z玻色子，共有3種。

強(qiáng)相互作用（夸克之間的相互作用）：膠子（gluon）

粒子物理學(xué)已經(jīng)證明電磁相互作用和弱相互作用來(lái)源于宇宙早期能量極高時(shí)的同一種相互作用，稱(chēng)為“弱電相互作用”。有很多粒子物理學(xué)家猜想在更早期宇宙更高能量（普朗克尺度）時(shí)很可能這四種相互作用全都是統(tǒng)一的，這種理論稱(chēng)為“大統(tǒng)一理論”。但是因?yàn)榧铀倨髂軌蜻_(dá)到的能量相對(duì)普朗克尺度仍然非常的低，所以很難驗(yàn)證而大統(tǒng)一理論主要的發(fā)展方向是超弦理論。

膠子是強(qiáng)相互作用的媒介子，帶有色與反色并由于色緊閉而從未被探測(cè)器觀察到過(guò)。不過(guò)，像單個(gè)的夸克一樣，它們產(chǎn)生強(qiáng)子噴注。在高能態(tài)環(huán)境下電子與正電子的湮沒(méi)有時(shí)產(chǎn)生三個(gè)噴注：一個(gè)夸克，一個(gè)反夸克和一個(gè)膠子是最先證明膠子存在的證據(jù)希格斯粒子。

希格斯粒子（Higgs）粒子物理學(xué)家們認(rèn)為希格斯粒子與其他粒子的相互作用使其他粒子具有質(zhì)量。相互作用越強(qiáng)質(zhì)量就越大。希格斯粒子本身質(zhì)量極大，但加速器能量還無(wú)法達(dá)到，而理論的計(jì)算也比較困難。物理學(xué)家們于2012年7月發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子。

標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言存在一種中性希格斯粒子：H。但是也有很多科學(xué)家提出其他的可能性。

61種基本粒子：

一、輕子（12種）{輕子主要參與弱作用，帶電輕子也參與電磁作用，不參與強(qiáng)作用。}

01、電子

02、正電子（電子的反粒子）

03、μ子

04、反μ子

05、τ子

06、反τ子

07、電子中微子

08、反電子中微子

09、μ子中微子

10、反μ子中微子

11、τ子中微子

12、反τ子中微子

二、夸克（Quark，層子、虧子）(6味×3色×正反粒子=36種)

13、紅上夸克

14、反紅上夸克

15、綠上夸克

16、反綠上夸克

17、藍(lán)上夸克

18、反藍(lán)上夸克

19、紅下夸克

20、反紅下夸克

21、綠下夸克

22、反綠下夸克

23、藍(lán)下夸克

24、反藍(lán)下夸克

25、紅粲夸克

26、反紅粲夸克

27、綠粲夸克

28、反綠粲夸克

29、藍(lán)粲夸克

30、反藍(lán)粲夸克

31、紅奇夸克

32、反紅奇夸克

33、綠奇夸克

34、反綠奇夸克

35、藍(lán)奇夸克

36、反藍(lán)奇夸克

37、紅頂夸克

38、反紅頂夸克

39、綠頂夸克

40、反綠頂夸克

41、藍(lán)頂夸克

42、反藍(lán)頂夸克

43、紅底夸克

44、反紅底夸克

45、綠底夸克

46、反綠底夸克

47、藍(lán)底夸克

48、反藍(lán)底夸克

三、規(guī)范玻色子（規(guī)范傳播子）（13種）

49、紅-反綠膠子

50、紅-反藍(lán)膠子

51、綠-反紅膠子

52、綠-反綠膠子

53、綠-反藍(lán)膠子

54、藍(lán)-反紅膠子

55、藍(lán)-反綠膠子

56、藍(lán)-反藍(lán)膠子1

57、光子（光量子）

58、W+玻色子

59、W-玻色子

60、Z玻色子

61、希格斯玻色子Higgs Boson

理論

基本粒子理論

基本粒子的結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化規(guī)律的理論，它的理論體系就是量子場(chǎng)論。按照量子場(chǎng)論的觀點(diǎn)，每一類(lèi)型的粒子都由相應(yīng)的量子場(chǎng)描述，粒子之間的相互作用就是這些量子場(chǎng)之間的耦合，而這種相互作用是由規(guī)范場(chǎng)量子傳遞的。

20世紀(jì)30年代以來(lái)，基本粒子理論在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上有了很大進(jìn)展。在粒子結(jié)構(gòu)方面，人們已經(jīng)通過(guò)對(duì)稱(chēng)性的研究深入到了一個(gè)層次，肯定了強(qiáng)子是由層子和反層子組成的，對(duì)真空特別是對(duì)真空自發(fā)破缺也有了新的認(rèn)識(shí)。在相互作用方面，發(fā)展了可描述電磁相互作用的量子電動(dòng)力學(xué)，發(fā)展了能統(tǒng)一描述弱相互作用和電磁相互作用的弱電統(tǒng)一理論，可用于描述強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)。它們無(wú)一例外都是量子規(guī)范場(chǎng)理論，并且都在很大程度上與實(shí)驗(yàn)一致，從而使人們對(duì)各種相互作用的規(guī)律性有了更深一層的了解。

基本粒子理論在本質(zhì)上是一個(gè)發(fā)展中的理論，它在許多方面還不能令人滿(mǎn)意。其中有兩個(gè)具有哲學(xué)意義的理論問(wèn)題尚待澄清，即：層次結(jié)構(gòu)問(wèn)題（見(jiàn)物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次）和相互作用統(tǒng)一問(wèn)題（見(jiàn)相互作用的統(tǒng)一理論）。在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的原子層次上，可以把原子中的電子和原子核分割開(kāi)來(lái)；在原子核層次上，也可以把組成原子核的質(zhì)子和中子從原子核中分割出來(lái)?？墒沁M(jìn)入到"基本粒子"層次后，情況有了變化。這種變化在于強(qiáng)子雖然是由帶"色"的層子和反層子組成的，但卻不能把層子或反層子從強(qiáng)子中分割出來(lái)。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為"色"禁閉。于是，在"基本粒子"層次，物質(zhì)可分的概念增添了新的內(nèi)容?？煞植⒉坏扔诳煞指?，強(qiáng)子以層子和反層子作為組分，但卻不能從強(qiáng)子中分割出層子和反層子。"色"禁閉現(xiàn)象的原因至今還未能從理論上找到明確答案。

80年代已知的層子、反層子已達(dá)36種，輕子、反輕子已達(dá)12種，再加上作為力的傳遞者的規(guī)范場(chǎng)粒子以及Higgs粒子，總數(shù)已很多，這就使人們?nèi)ピO(shè)想這些粒子的結(jié)構(gòu)。物理學(xué)家們對(duì)此已經(jīng)給出許多理論模型，但各模型之間差別很大，還很難由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和判斷究竟哪個(gè)模型正確。

模型理論

在弱電統(tǒng)一理論獲得成功之后，人們又探求強(qiáng)作用和弱作用、電磁作用三者之間的統(tǒng)一，提出了各種大統(tǒng)一模型理論。這種理論預(yù)言質(zhì)子也會(huì)衰變，其壽命約為1032±2年。但還沒(méi)有得到實(shí)驗(yàn)上的證實(shí)。

在探索力的統(tǒng)一理論時(shí)不能不考慮引力。但引力和弱作用力、電磁作用力、強(qiáng)作用力有重要差別，因?yàn)樗苯优c空間、時(shí)間的測(cè)度有聯(lián)系，它的傳遞者──引力子的自旋不同于其他三種作用力的傳遞者，它的耦合常數(shù)有量綱～(質(zhì)量)-2，從而會(huì)出現(xiàn)無(wú)窮多種發(fā)散，不能重整化。如果再考慮到阿爾伯特.愛(ài)因斯坦所提出的引力方程的非線(xiàn)性性質(zhì)，就更增加了引力理論量子化、重整化的困難。

初步的探討認(rèn)為，引力場(chǎng)也是一種規(guī)范場(chǎng)，這就意味著引力和其他三種基本力在邏輯上最終會(huì)統(tǒng)一起來(lái)。但從問(wèn)題的深度上可以看到，有一些關(guān)鍵性的因素人們還沒(méi)有掌握。

粒子發(fā)現(xiàn)表

基本粒子的概念也在隨著物理學(xué)的發(fā)展而不斷的變化著，人們的認(rèn)識(shí)也在朝著揭示微觀世界的更深層次不斷地深入。

![]( "10飛米 原子核的特寫(xiě)")“基本粒子”的“祖孫”三代從湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子到1932年發(fā)現(xiàn)中子，人們認(rèn)識(shí)到質(zhì)子、中子、電子和光子可以稱(chēng)為基本粒子。當(dāng)時(shí)一度認(rèn)為一切都已搞清楚：質(zhì)子和中子構(gòu)成一切原子核；原子核和電子則構(gòu)造了自然界的一切原子和分子，而光子僅僅是構(gòu)成光與電磁波的最小單元。然而好景不長(zhǎng)，對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的這樣一種“圓滿(mǎn)”的解釋并沒(méi)能持續(xù)多久，人們很快發(fā)覺(jué)當(dāng)時(shí)所發(fā)現(xiàn)的基本粒子不能圓滿(mǎn)地解釋核力。

第一代

1935年，著名的日本物理學(xué)家湯川秀樹(shù)（1907～1981年）大膽假設(shè)，很可能還有未曾發(fā)現(xiàn)的新粒子。湯川秀樹(shù)認(rèn)為，就像電磁相互作用是通過(guò)交換光子而實(shí)現(xiàn)的那樣，核力是通過(guò)核子間交換一種介子而實(shí)現(xiàn)的。他還估算出了這種粒子的質(zhì)量大約是電子質(zhì)量的200倍。

1937年，美國(guó)物理學(xué)家卡爾·戴維·安德孫（1905～年）在宇宙射線(xiàn)中發(fā)現(xiàn)了一種帶電粒子，它的質(zhì)量是電子的200倍左右，被命名為“m（繆）介子”。理論預(yù)言的成功使人們倍感欣慰，但進(jìn)一步的考察卻令人十分掃興。因?yàn)檫@種m介子根本不與核子相互作用，很明顯，它不可能是湯川秀樹(shù)所預(yù)言的粒子。

1947年，巴西物理學(xué)家塞色，M·G·拉帝斯等人利用核乳膠在宇宙射線(xiàn)中又發(fā)現(xiàn)了一種介子——p介子。p介子的性質(zhì)完全符合湯川秀樹(shù)的預(yù)言，能夠解釋核力。實(shí)際上，“m介子”不是介子而是一種輕子，所以將m介子稱(chēng)為“m子”。到1947年，人們認(rèn)識(shí)的粒子已達(dá)14種之多。其中包括當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的光子(g)，正負(fù)電子（e±），正負(fù)m子（m±），三種p介子（p±，p0），質(zhì)子（p）和中子（n）10種；另外4種就是1956年在實(shí)驗(yàn)室中被發(fā)現(xiàn)的正反電子中微子、反質(zhì)子和反中子。這14種粒子各有用武之地，其中質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成一切穩(wěn)定的物質(zhì)；光子是電磁力的傳遞者，p介子傳遞核力，中微子在b衰變中扮演不可缺少的角色（b衰變是原子核自發(fā)地放射出電子或正電子，或者俘獲原子內(nèi)電子軌道上的一個(gè)電子，而發(fā)生的轉(zhuǎn)變）；而m子則在宇宙射線(xiàn)中出現(xiàn)。以上這些就構(gòu)成了第一代粒子。

第二代

穩(wěn)定的秩序似乎并沒(méi)有維持多久，“完滿(mǎn)”的舊理論很快就被一系列新的疑問(wèn)所沖破。在發(fā)現(xiàn)p介子的1947年，人們利用宇宙射線(xiàn)在云室中拍下了兩張有V字形徑跡的照片，衰變產(chǎn)物是p±介子和質(zhì)子（p）。這兩種徑跡不能用任何當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的第一代粒子來(lái)解釋?zhuān)谑侨藗兒茏匀坏南氲?，這一定是兩種未發(fā)現(xiàn)的粒子衰變所形成的。在之后的幾年里，人們拍攝了十多萬(wàn)張宇宙射線(xiàn)照片，終于發(fā)現(xiàn)了這兩種不帶電的新粒子。其中一個(gè)質(zhì)量為電子質(zhì)量的1000倍，被叫做“k0介子”；另一個(gè)約為電子質(zhì)量的2200倍，稱(chēng)為l粒子（讀“蘭布塔”）。我們稱(chēng)它們?yōu)榈诙Ｗ?，這是因?yàn)樗鼈冇袃蓚€(gè)明顯的特點(diǎn)：(1)產(chǎn)生快，衰變慢；(2)成對(duì)（協(xié)同）產(chǎn)生，單個(gè)衰變。這些特點(diǎn)用過(guò)去的理論是無(wú)法解釋的，所以又稱(chēng)它們?yōu)椤捌娈惲Ｗ印薄?/p>

為了對(duì)這些奇異粒子進(jìn)行定量研究，光靠宇宙射線(xiàn)是不夠的。50年代初，一些大型加速器陸續(xù)建成，使人們有可能利用加速器所加速的粒子來(lái)轟擊原子核，以研究奇異粒子。

到1964年人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一批奇異粒子，使人們發(fā)現(xiàn)的粒子種類(lèi)達(dá)到了33種。這些奇異粒子統(tǒng)稱(chēng)為“第二代粒子”。

第三代

如果把已發(fā)現(xiàn)的30多種粒子按它們的穩(wěn)定程度來(lái)分類(lèi)，那么其中有的粒子是穩(wěn)定的，例如質(zhì)子、電子等；有的粒子卻要自發(fā)地衰變成其它粒子，例如m±、p±、π0、k0、λ0等。它們衰變的時(shí)間一般在10-20～10-16秒或大于10-10秒，分別屬于電磁作用衰變和弱作用衰變。

到了60年代，由于加速器的能量逐步提高和高能探測(cè)器的迅速發(fā)展，在實(shí)驗(yàn)上也發(fā)現(xiàn)了衰變時(shí)間在10-24～10-23秒范圍的快衰變粒子，其衰變屬?gòu)?qiáng)作用衰變。這些粒子被稱(chēng)為“共振態(tài)粒子”，也稱(chēng)“第三代粒子”。由于它們的出現(xiàn)，使粒子種類(lèi)猛增到上百。

發(fā)展歷程

研究比原子核更深層次的微觀世界中物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，和在很高能量下這些物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化及其產(chǎn)生原因和規(guī)律的物理學(xué)分支。又稱(chēng)高能物理學(xué)。其發(fā)展大致經(jīng)歷3個(gè)階段。

第一階段

（1897～1937）可追溯到1897年發(fā)現(xiàn)第一個(gè)基本粒子電子。1932年J.查德威克在用α粒子轟擊核的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了中子，隨即人們認(rèn)識(shí)到原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，從而形成所有物質(zhì)都是由基本的結(jié)構(gòu)單元——質(zhì)子、中子、電子構(gòu)成的統(tǒng)一的世界圖像。質(zhì)子、中子、電子和A.愛(ài)因斯坦提出并被R.A.密立根和A.H.康普頓等人實(shí)驗(yàn)證實(shí)的光子、W.泡利假設(shè)存在的中微子（1956年最終被實(shí)驗(yàn)證實(shí)）以及P.A.M.狄拉克預(yù)言并被C.D.安德森1932年在宇宙線(xiàn)中觀察到的正電子都被認(rèn)為是基本粒子或亞原子粒子。在此階段，理論上建立了量子力學(xué)，這是微觀粒子運(yùn)動(dòng)普遍遵從的基本規(guī)律。

在相對(duì)論量子力學(xué)的基礎(chǔ)上，通過(guò)場(chǎng)的量子化初步建立量子場(chǎng)論，很好地解決了場(chǎng)的粒子性和描述粒子的產(chǎn)生、湮沒(méi)等問(wèn)題。隨著原子核物理的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)在相當(dāng)于原子核大小的范圍內(nèi)除了引力相互作用電磁相互作用之外，還存在比電磁作用更強(qiáng)的強(qiáng)相互作用和介于電磁作用和引力作用之間的弱相互作用，前者是核子結(jié)合成核的核力，后者引起原子核的β衰變。對(duì)于核力的研究認(rèn)識(shí)到核力是通過(guò)交換介子而產(chǎn)生的，并根據(jù)核力的電荷無(wú)關(guān)性建立起同位旋概念。

第二階段

（1937～1964）先后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了眾多的粒子。1937年從宇宙線(xiàn)中發(fā)現(xiàn)μ子，后來(lái)證實(shí)它不參與強(qiáng)作用，它和與之相伴的μ中微子同電子及與之相伴的電子中微子可歸入一類(lèi)，統(tǒng)稱(chēng)為輕子。1947年發(fā)現(xiàn)π±介子，1950年發(fā)現(xiàn)π0介子 ，1947年還發(fā)現(xiàn)奇異粒子。50年代粒子加速器和各種粒子探測(cè)器有了很大發(fā)展，從而開(kāi)始了用加速器研究并大量發(fā)現(xiàn)基本粒子的新時(shí)期，各種粒子的反粒子被證實(shí)；發(fā)現(xiàn)了為數(shù)不少的壽命極短的共振態(tài)?；玖Ｗ拥拇罅堪l(fā)現(xiàn)，其中大部分是強(qiáng)子，人們懷疑這些基本粒子的基本性。人們嘗試將強(qiáng)子進(jìn)行分類(lèi)，提出頗為成功的強(qiáng)子分類(lèi)的“八重法”。

這一階段理論上最重要的進(jìn)展是重正化理論的建立和相互作用中對(duì)稱(chēng)性的研究。關(guān)于描述電磁場(chǎng)量子化的量子電動(dòng)力學(xué)，通過(guò)重正化方法消除了發(fā)散困難，對(duì)于電子和μ子反常磁矩以及蘭姆移位的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確符合。量子電動(dòng)力學(xué)經(jīng)受眾多實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，成為描述電磁相互作用的成功的基本理論。

對(duì)稱(chēng)性與守恒定律聯(lián)系在一起，關(guān)于相互作用中對(duì)稱(chēng)性的研究，最為重要的結(jié)果是1956年李政道、楊振寧提出弱作用下宇稱(chēng)不守恒，1957年被吳健雄等人的實(shí)驗(yàn)及其他實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這些實(shí)驗(yàn)同時(shí)也證實(shí)了在弱作用下電荷共軛宇稱(chēng)不守恒。這些研究推動(dòng)弱作用理論的進(jìn)展。

第三階段

（1964～ ）以提出強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型為標(biāo)志。1964年M.蓋耳曼和G.茲韋克在強(qiáng)子分類(lèi)八重法的基礎(chǔ)上分別提出強(qiáng)子由夸克構(gòu)成，夸克共有上夸克u、下夸克d和奇異夸克s三種，它們