强子动物园

强子动物园

现在让我们关注一下已论及的各种亚原子粒子。首先是轻子，它们受到弱相互作用，带电的轻子也受到电磁相互作用，但都不受强相互作用。这些粒子似乎都是基本粒子，从未显示出存在任何内部结构。轻子包括3种味：电子和它的中微子、μ子和它的中微子、τ子和它的中微子。这些粒子又都有各自的反粒子，因此，轻子总共有12种。科学家们也不指望能再发现更多的轻子。

其次是交换粒子，它们促成了四种相互作用：引力子促成引力相互作用，光子促成电磁相互作用，中间玻色子（W粒子)促成弱相互作用，交换粒子π介子（由汤川秀树发现）促成强相互作用。引力子和光子是单一粒子，而中间玻色子（W粒子)和π介子则可以以带正电、带负电和电中性3种形式存在。这就是说，交换粒子总共有8种。科学家们也不指望有更多的发现。

剩下的就是受到强相互作用的粒子了。这些粒子中，我们最早知道的是重子；正是由于质子与中子以紧密结合的形式存在于原子核中，从而为强相互作用理论的发展提供了机遇。另外，π介子也是受强相互作用的介子。

受到强相互作用的重子和介子统称为强子（hadrons，该词源于一个意为“厚实”或“强壮”的希腊语单词)。这样，强子恰好与前面提到的轻子（leptons)相反，leptons源于意为“微弱”的希腊语单词。

假如质子、中子以及它们的反粒子，加上3种π介子就是全部强子的话，那么强子的总数应该是7种。其中3种π介子应算在交换粒子里面。这就意味着轻子、交换粒子和强子——包括它们的常态粒子和反常态粒子，加在一起总共只有24种粒子，从而使科学家们能面对一个比较简单的宇宙。

然而，随着粒子加速器变得越来越强大、越来越高效，能够产生的能量越来越高，物理学家发现，能量可以积聚成许多只在高能状态下存在的粒子。这些粒子都极不稳定，最多只能存在百万分之一秒，而且绝大部分粒子的存在时间更为短暂。

新发现的粒子包括属于轻子的τ子及其中微子、属于交换粒子的中间玻色子以及所有余下属于强子的大量新发现的粒子。

例如，1944年，人们发现了一种属于介子的新粒子。这种粒子被称为K介子（K meson)，英语中通常被简称为kaon。其质量为π介子的3.5倍，约为质子的一半。

1947年，人们又首次发现了一组质量比质子和中子更大的粒子。这些粒子被称为超子（hyperons，源于希腊语中一个意为“超越”的单词)，因为其质量超过了质子和中子。当时人们一直认为质子和中子是最重的粒子。

类似的事情还在不断地发生，最终人们发现了100多种不同的强子，这就意味着还存在100多种不同的反强子。它们有些在蜕变前只能存在一亿亿亿分之几秒，但它们还是属于同类粒子。

这使科学家们深感困惑。因为每种迹象都表明宇宙具有令人满意的简单性，而现在，“强子动物园”的出现又使一切沦为毫无目的的复杂状态。当然，人们试图找出所有这些强子之间的规律，以便找到能有效地将它们分类的办法。如果能够实现的话，人们就不必应付数目众多的单个粒子，而只须研究为数不多的几组。

例如，早在1932年，海森伯就指出，如果不考虑质子和中子是否带电荷，那么就可以将它们视为一种粒子的两种不同的态。虽然不可能用普通的术语来描述这两种态之间的差别，但是只要将一种态称为正的，而将另一种称为负的，这也就足够了。

1937年，美籍匈牙利物理学家维格纳提出，质子和中子类似于元素周期表中的同位素，这两种态也许可以用不同的自旋来描述，即可以用两种不同的自旋来描述不同态之间的差别。他把海森伯的态称为同位自旋（isotopic spin)，通常简称为同位旋（isospin)。1938年，苏联物理学家凯默（N.Kemmer)指出，三种π介子——正的、负的和中性的——可以被当作同一种粒子的三种不同的同位旋态来处理。

同位旋之所以重要，首先在于它确实能将一些粒子分成组，从而降低了强子的复杂性。其次是因为它在强子之间保持守恒。这有助于了解“强子动物园”的意义所在，因为所有粒子都不是随机转变和发生相互作用的，而必须保持各种性质的守恒。这就限制了可以转变的粒子数量。需要保持守恒的性质种类越多，限制就越多，也就越容易了解所发生的事情。

例如，K介子和超子存在的时间长得惊人。K介子蜕变需要百万分之一秒，而超子的蜕变则需要将近十亿分之一秒。它们的蜕变产物的构成清楚地表明，它们是通过强相互作用形成的，因此应以同样的方式蜕变，即在一万亿分之一秒还不到的时间内蜕变。

但是，事实并非如此，它们存在的时间是其应有值的数千、甚至数百万倍，因而它们必定是以弱相互作用的方式在发生蜕变，这似乎很奇怪。事实上，它们也因此而被称为奇异粒子。

1953年，美国物理学家盖尔曼（Murray Gell-Mann，1929—　)提出，奇异粒子一定具有其他强子所不具备的特性。他自然有足够的理由将这种特性称为“奇异性”。

质子、中子和各种π介子各自的奇异数均为0，而K介子和超子则不然。在强相互作用中，奇异数保持守恒。K介子和超子不可能以强相互作用的方式蜕变，因为它们形成的π介子和质子的奇异数均为0，这就意味着奇异性的消失，从而违反了守恒定律。因此，K介子和超子必定以弱相互作用的方式蜕变，这样奇异性就不必保持守恒。这就是奇异粒子能存在如此长时间的道理。

在研究强子时，不一定总能确立或遵守守恒定律。在某种情况下，科学家们不得不对守恒定律作出修正。

早在1927年，维格纳就提出了宇称守恒定律。宇称很难从字面上进行解释，但在这里我们可以用奇数和偶数这两个概念来进行类比。我们知道，两个偶数之和总是偶数，两个奇数之和也总是偶数，而一个偶数和一个奇数之和却总是奇数。如果我们将某些粒子叫做偶宇称粒子，将另一些粒子叫做奇宇称粒子，那么它们的变化也必须遵循相同的法则：偶＋偶=奇＋奇=偶，偶＋奇=奇＋偶=奇。

然而，在20世纪50年代初，人们发现一种特殊的K介子具有一种奇怪的蜕变方式。它有时蜕变成2个π介子，有时却蜕变成3个π介子。2个π介子相加为偶宇称，而3个π介子相加则为奇宇称。问题是：K介子怎么会既具有奇宇称又具有偶宇称呢？

最简单的处理方法是假定确实存在两种十分相似的粒子，一种具有奇宇称，另一种具有偶宇称，分别用两个希腊字母命名为τ介子和θ介子。这样，除了无法区分τ介子和θ介子外，这一问题似乎已经得以解决了。

然而，问题并没有最终得以解决。μ子型中微子与电子型中微子不能通过任何可以测定的性质加以区分，而只能通过它们在不同相互作用中的变化加以区分。对于τ介子和θ介子而言，情况可能也是如此。

对于那两种中微子而言，除了接受这种难以区分的差别外似乎别无选择。对这两种介子也是如此。如果宇称不一定守恒，那么结果又会是怎样的呢？

美籍华裔物理学家杨振宁（Chen Ning Yang，1922—　)和李政道（Tsung-Dao Lee，1926—　)于1956年从理论上得出了这一结论，确信宇称是不守恒的，至少在由弱相互作用促成的那些反应中是这样。但是怎样才能证明这一点呢？

答案在于宇称守恒在某种程度上等同于左右对称的概念。换句话说，如果宇称是守恒的，如果某种相互作用产生了一束粒子流，那么，这些粒子会分成数量相等的左右两半。然而，如果宇称是不守恒的，那么这些粒子就会只偏向左边或只偏向右边。（科学家们之所以难以相信宇称是不守恒的，原因之一就是他们认为宇宙没有理由会存在左右之别。)

因此，另一位美籍华裔物理学家吴健雄（Chien Shung Wu)在哥伦比亚大学主持了一个实验。她用放射性同位素钴60作为样品进行实验，发现钴60显然是通过弱相互作用蜕变生成β粒子。这些β粒子向各个方向离散，一定程度上是由于这些原子本身就朝着各个方向。因此，吴健雄便将样品放入强磁场中，从而使所有原子沿同一个方向排列。这就使它们可以沿同一方向放出β射线，但前提只能是宇称不守恒。当然，在常温下，原子会挣脱磁场的束缚，射向不同的方向；因此，吴健雄将钴60冷却至非常接近绝对零度。

如果宇称是不守恒的，那么β粒子应该只偏向一侧。到了1957年1月，已经没有人怀疑β粒子只偏向一个方向，以及在弱相互作用下宇称不守恒。当年，杨振宁和李政道获得了诺贝尔奖。

在其他类型的相互作用中，甚至在弱相互作用中，宇称是守恒的，这样就能用一个更具普遍性的守恒定律来替代原来的守恒定律。如果某特定的粒子是“左旋的”，用宇称（P)表示，则它的带相反电荷（C)的反粒子便是“右旋的”。这就是说，如果将粒子与它的反粒子放在一起，则它的CP特性（同时考虑宇称和电荷)将是守恒的。

而此后，在1964年，美国科学家菲奇（Val Logsden Fitch，1923—　)和克罗宁（James Watson Cronin，1931—　)提出，即使CP也并非总是守恒的，还必须加入时间特性（T)。如果CP在一个时间方向上不守恒，那么它在相反方向也不会守恒。这就是目前人们认为的CPT对称就是弱相互作用中所指的守恒。为此，克罗宁和菲奇分享了1980年的诺贝尔奖。

1981年，盖尔曼着手利用一些守恒性质，将强子对称地分组，形成包含8个、9个或10个个体的多边形。这样，他便建立了粒子的族系，还引入了类似于元素周期表那样的排列表。与此同时，以色列物理学家内埃曼（Yuval Ne’eman，1925—2006)也在从事同样的工作。

当时，科学家们很难真正接受盖尔曼提出的排列表，就像一个世纪前科学家们难以接受门捷列夫的元素周期表一样。但是，当门捷列夫按周期表预言的一些尚未被发现的元素的性质被证实时，他赢得了科学家的信任。

盖尔曼设想了一个由10个粒子组成的三角形，排列成各种不同守恒特性的值，在点与点之间都以固定的、有规律的方式变化。但是，上顶点处的粒子与当时已知的任何粒子都不相符。

根据这种排列可以看出，这种未知粒子具有独特的性质，包括异常大的质量和异常高的奇异数。这种粒子被称为Ω-粒子，但人们对它的存在与否尚有怀疑。

根据Ω-粒子的性质特征，盖尔曼确信，它必定是由负K介子和质子的相互作用产生的。这些粒子以足够高的能量猛撞在一起，从而生成一种质量异常大的粒子，那便是Ω-粒子。

然后，盖尔曼必须说服掌管大型粒子加速器的人进行该项实验。1963年12月，一个实验小组利用长岛布鲁克黑文（Brookhaven，Long Island)的加速器，着手将K介子猛地撞入质子。1964年1月31日，他们探测到的结果表明，所含的粒子只能是Ω-粒子，因为该粒子显示的性质与盖尔曼预言的一模一样。1969年，盖尔曼因他的这项成就获得了诺贝尔奖。这时，盖尔曼的强子分类法已为人们接受，“强子动物园”也正在日趋有序。