消化炉这个名称已经成
稳定粒子,平均寿命是26.03ns,也就是2.603×10s.π 介子衰变时,绝大多数转化为一个 μ子和一个中微子或一个反中微子;有 -4 1.23×10的 π介子衰变时转化为一个电子和一个中微子或一个反中微子. 人们认为 π介子才是汤川理论所预言的粒子,汤川理论经过12年得到了 实验的证实.1949年,汤川秀树物质微观结构最小层次的粒子,都统称为基本粒 子. 20世纪60年代以来,实验上陆续发现了大量新的消化炉基本粒子,几年内新发 现的基本粒子数目成倍地增加.20世纪60年代初,实验上已经发现的粒子数 约为30种,经过短短4年,发现的基本粒子数目超过了60.随着实验能量的 不断提高,实验和理论研究的发展,测出质子的电磁半径,也就是电荷分布的 均方半径为(0.870±0.008)fm.以后又定出 π介子的电磁半径也是同一数量 级,比质子的电磁半径略小,约为0.7fm.后来又观察到虽然中子所带电荷为 零,但中子内部电荷还是有一定的分布,中子的电磁半径大体上和质子的电磁 半径相等. 这些结果表明,这些可以直接参与强相互作用的基本粒子肯定不能被看作 是点粒子,它们的空间分布有一定的大小,肯定有内部结构,它们是由更深层 次的粒子所组成的.
然而加速电子的高能碰撞实验却表明,把电子加速到能量达到约100GeV 的数量级,仍然完全可以把电子当作点粒子来对待.这表明即使电子的半径不 为零的话,也应小于0.002fm.这显示对于电子等基本粒子,观察不到它们占 据的空间大小,仍然可以把它们看作是 “点”状的粒子. 这些进展说明,已经发现的这些基本粒子并不属于微观结构的同一层次. 因此从20世纪60年代起,国际上就把基本粒子中的 “基本”两字去掉,统 称为粒子,基本粒子物理学改称为粒子物理学, “基本粒子” 为历史的陈迹. 1 0第六章 粒子世界 8 粒子运动的三个基本特点 粒子的运动有它独有的特点,描写粒子运动的理论必须充分反映这些特 点.粒子运动性质有三个基本特点: 第一,粒子是微观尺度的客体,运动是微观尺度的运动.微观粒子的基本 特性是波粒二相性,粒子运动时既是微粒,又显现出波动性.描写粒子微观尺 度运动的特征量是普朗克常量 ..,描写微观粒子运动的基本规律是量子力学. 第二,粒子是可以作高速运动的,粒子速度常常可以达到和真空光速相比 拟的数量级,相应地能量常常达到相当于甚至远大于粒子静止能量的数量级, 运动是相对论性的.描写高速运动的特征量是真空光速c,描写粒子高速运动 的规律是狭义相对论. 如果粒子的运动特点只有这两个,自然可以推论出粒子物理的基本规律应 该是相对论性量子力学.相对论性量子力学很好地精确地描写了稳定的微观粒 子的运动行为.但是粒子的运动还有第三个重要的不可忽视的特点. 第三,粒子运动过程中,常常表现出粒子之间的相互转化,粒子数目是可 变的,粒子可以产生和湮没.换言之,观察到的粒子系统的自由度数在粒子运 动时是可变的. 相对论性量子力学不能描写粒子数目可变的粒子的运动行为,不能描写粒 子的产生和消灭. 我们看一个粒子的运动,要确定这个粒子的运动状态,就要说明在某 时刻这个粒子在空间中的位置,要描写这个粒子运动状态随时间的演化, 就需要知道这个粒子在空间中的位置随时间的变化.由于粒子是在三维空 间中运动,确定粒子在空间中的位置需要3个量,因此一个粒子的自由度 是3.如果这个粒子有自旋,还要一个量来描写自旋的取向,有自旋的粒 子的自由度是4.在粒子不能产生或消灭时,系统的自由度的数目总是不 变的.相对论性量子力学狄拉克方程描写的也只是一个电子的相对论性运 动.只有具有无穷多自由度的系统在运动中才能自然容纳或显现出有限多 自由度的变化. 而物理学中研究的 “场”就是这样的具有无穷多自由度的系统,因为 “场”是充满全空间的客体,场的运动状态是用场量来描写,即用在全空间中 所有的点上场量的值来描写.全空间有无穷多的点,每个点对应至少3个自由 度,所以场是具有无穷多自由度的系统. 描写场的运动规律的理论是场论,因此描写粒子运动基本规律的理论是相 对论性量子场论. §6. 0 6 微观粒子的主要普遍内禀属性 1 9 自然单位制
正因为粒子运动的这些特点,在描写粒子的运动规律时,不可避免地经常 遇到普朗克常量h和真空光速c的各种幂次.针对这种情况,高能物理学中常 采用一种特殊的单位制,称为自然单位制. 自然单位制中规定约化普朗克常量 ..(即普朗克常量h被2π除)、真空光 速c、玻耳兹曼常量k都等于1,即 ..=c=k=1. 这样在描写粒子的运动规律时,这些常量就自动地不再出现,所有的公式都大 大地简化了. 在自然单位制中,只剩下一个独立的量纲,通常取能量做基本的量纲.物 理量的量纲分析大大地简化了,许多物理量具有相同的量纲.例如:能量、动 量、质量、温度、频率、波数的量纲相同;长度、寿命、磁矩、电矩的量纲相 同,是能量量纲的倒数;速度、角动量、电荷都是无量纲量. -27
质子的质量是m=1.67262158×10kg,也可以通过能量的单位MeV 给出为m=938.271998MeV. 温度可以用能量的单位来描写,这时有换算关系为1eV=11604.448K. 太阳表面的温度约为600 00K,这是在地面上罕见的高温,但是它还不到1eV, 从粒子物理世界来看是极低的温度.太阳中心的温度约新粒子的寿 命的误差会比较大,因为粒子的寿命本身就是指平均寿命,需要比较多的事例 才能定得准.许多长寿命的粒子,特别是长寿命的带电粒子都是这样地被发现 的,例如正电子、μ子、π介子、Ω-重子的发现都是根据几个事例做结论的. 能够这样被发现的新粒子的寿命不能太短,至少要能在存在的时间内在空间中 走一段宏观上可测量的径迹,这样才能首先显示这个粒子确实存在过,并提供 直接观测粒子电荷、能量、动量、寿命等性质的条件.如果不稳定粒子的平均 寿命为 τ,能量为E,质量为m,这个粒子在静止系中存在时间 τ后衰变,考 虑相对论的时钟延缓效应,粒子在衰变前走的径迹长度L=τΕ.如果粒子的 mc 2-13 能量E=2.0mc,τ=10s,则L=60μm.这已经是必须用显微镜才能观测 的径迹.现在记录带电粒子运动径迹最精细的探测设备是核乳胶,它可以探测 -13 粒子的最短寿命是10s.寿命比这个更短的粒子就不能通过径迹探测的办法 来直接探测和发现了. -13 现在已经发现的479种粒子中,绝大多数粒子的寿命远比10s要短得 多,这些粒子的发现都不是通过直接测量径迹的方法,而是通过种种间接测量 的方法发现的.其中一种重要的方法是不变质量分析的方法,大量的不稳定的 介子和重子都是运用这个方法通过实验发现的.短寿命的粒子产生后不久很快 就衰变,转化成为两个或多个其它类型的粒子.由于衰变前没有走出可以观察 到的径迹,没有信息可以肯定地判定这个粒子是否确实存在过. 如果某粒子X确实存在,并且很快衰变为几个其它类型的粒子,那么只 要把这几个粒子的能量加起来,就应当等于衰变前粒子的能量.同样地把这几 个粒子的动量矢量加起来,就应当等于衰变前粒子的动量.从衰变前粒子的能 量和动量就可以推算出衰变前粒子的质量.这样得到的 “质