[科普中國]-粒子物理學(xué)

粒子物理學(xué)是研究組成物質(zhì)和射線的基本粒子以及它們之間相互作用的一個物理學(xué)分支。由于許多基本粒子在大自然的一般條件下不存在或不單獨出現(xiàn)，物理學(xué)家只有使用粒子加速器在高能相撞的條件下才能生產(chǎn)和研究它們，因此粒子物理學(xué)也被稱為高能物理學(xué)。

簡介粒子物理學(xué)是研究組成物質(zhì)和射線的基本粒子以及它們之間相互作用的一個物理學(xué)分支。由于許多基本粒子在大自然的一般條件下不存在或不單獨出現(xiàn)，物理學(xué)家只有使用粒子加速器在高能相撞的條件下才能生產(chǎn)和研究它們，因此粒子物理學(xué)也被稱為高能物理學(xué)。1

亞原子粒子現(xiàn)代粒子物理學(xué)的研究集中在亞原子粒子上。這些粒子的結(jié)構(gòu)比原子要小，其中包括原子的組成部分如電子、質(zhì)子和中子（質(zhì)子和中子本身又是由夸克所組成的粒子）和放射和散射所造成的粒子如光子、中微子和μ子，以及許多其它奇特的粒子。

嚴(yán)格地說“粒子”這個稱呼不精確，粒子物理學(xué)中研究的所有的物體都遵守量子力學(xué)的規(guī)則，它們都顯示波粒二象性，根據(jù)不同的實驗條件它們顯示粒子的特性或波的特性。在物理理論中，它們既非粒子也非波，理論學(xué)家用希爾伯特空間中的狀態(tài)矢量來描寫它們，詳細(xì)的理論基礎(chǔ)為量子場論。但按照粒子物理學(xué)的常規(guī)在這篇文章中這些物體依然被稱為“粒子”，雖然這些粒子也具有波的特性。

今天所知的所有基本粒子都可以用一個叫做粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的量子場論來描寫。標(biāo)準(zhǔn)模型是目前粒子物理學(xué)中最好的理論，它包含37種基本粒子，這些基本粒子相互結(jié)合可以形成更加復(fù)雜的粒子。從1960年代以來實驗物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和觀察到了上百種復(fù)合粒子了。標(biāo)準(zhǔn)模型理論幾乎與至今為止觀察到的所有的實驗數(shù)據(jù)相符合。雖然如此大多數(shù)粒子物理學(xué)家相信它依然是一個不完善的理論，一個更加基本的理論還有待發(fā)現(xiàn)。最近發(fā)現(xiàn)的中微子靜質(zhì)量不為零是第一個與標(biāo)準(zhǔn)模型出現(xiàn)偏差的實驗觀測。1

歷史前6世紀(jì)古希臘的哲學(xué)家就提出物質(zhì)是由基本粒子組成的猜測。流西普斯、德謨克里特斯和伊比鳩魯是“原子論”的代表人物。17世紀(jì)時艾薩克·牛頓也有過物質(zhì)是由粒子組成的想法。1802年約翰·道爾頓正式提出所有物質(zhì)是由原子組成的理論。

1869年季米特里·門捷列夫發(fā)表的元素周期表加深了原子論的設(shè)想。約瑟夫·湯姆孫發(fā)現(xiàn)了原子中存在帶有負(fù)電荷、質(zhì)量非常小的電子，認(rèn)為原子是由質(zhì)子和被束縛的電子組成的。歐內(nèi)斯特·盧瑟福證明質(zhì)子集中在非常緊密的原子核中。1932年英國物理學(xué)家查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，至此，人們認(rèn)識到原子核是由質(zhì)子和中子組成的，電子在原子核外運動。

20世紀(jì)原子物理學(xué)和量子物理學(xué)的研究導(dǎo)致了裂變和聚變的發(fā)現(xiàn)和實驗成功。人類能夠?qū)⒁粋€元素的原子轉(zhuǎn)換成另一個元素的原子。

1950年代和60年代中許多新的粒子被發(fā)現(xiàn)，它們被統(tǒng)稱為“粒子動物園”。直到1970年代粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型建立，將大多數(shù)這些粒子看作是少數(shù)基本粒子的復(fù)合粒子后這個混亂才減輕。1

標(biāo)準(zhǔn)模型理論目前描寫基本粒子的最成功的理論是標(biāo)準(zhǔn)模型理論，它使用規(guī)范玻色子來描寫強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用。光子、W及Z玻色子和膠子都屬于規(guī)范玻色子。此外按標(biāo)準(zhǔn)模型理論物質(zhì)是由24種基本粒子組成的，最后這個理論還預(yù)言了希格斯玻色子。1

實驗粒子物理學(xué)大的實驗粒子物理學(xué)國際合作有：

歐洲核子研究中心：位于法國和瑞士邊境日內(nèi)瓦附近，其主要儀器如下：

大型正負(fù)電子對撞機（2001年停用，現(xiàn)已拆除）

超級質(zhì)子同步加速器

大型強子對撞機

德國電子加速器：位于德國漢堡，其主要設(shè)備是強子電子環(huán)設(shè)備（HERA），可用電子和正電子與質(zhì)子相撞。

SLAC國家加速器實驗室：位于美國帕洛阿圖附近，其主要設(shè)備是PEP-II，用來碰撞電子和正電子。

費米國立加速器實驗室：位于美國芝加哥附近，其主要設(shè)備是太伏質(zhì)子加速器（Tevatron），碰撞質(zhì)子與反質(zhì)子。

布魯克黑文國家實驗室：位于美國長島，其主要設(shè)備是相對論重離子對撞機，用來使重離子如金離子與質(zhì)子相撞。

布德克核子物理研究所（BINP）：位于俄羅斯新西伯利亞。

超級神岡探測器: 1998年，超級神岡探測器的領(lǐng)導(dǎo)者、日本科學(xué)家小柴昌俊發(fā)表了測量結(jié)果，給出中微子振蕩的首個確切證據(jù)，認(rèn)為中微子在三種不同“味”之間是可以相互轉(zhuǎn)換的，這也表明中微子是有質(zhì)量的，而不是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中預(yù)言的零質(zhì)量粒子。2002年，超級神岡探測器證實反應(yīng)堆中產(chǎn)生的中微子發(fā)生了振蕩。這個探測結(jié)果在中微子天文學(xué)和粒子物理學(xué)中具有里程碑式的意義，小柴昌俊因此獲得2002年的諾貝爾物理學(xué)獎。

高能加速器研究機構(gòu)：位于日本筑波，擁有一個測試中微子振蕩的K2K和測試正反B介子違反電荷宇稱守恒性的Belle實驗。

大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗工程：位于中國大亞灣核電站北側(cè)，主要物理目標(biāo)是利用核反應(yīng)堆產(chǎn)生的反中微子來測量中微子混合角，該項目由中科院高能物理研究所主持。

此外世界各地還有許多其它粒子加速器，比如大陸的北京正負(fù)電子對撞機與臺灣新竹科學(xué)工業(yè)園區(qū)的國家同步輻射研究中心。1

理論粒子物理學(xué)理論粒子物理學(xué)試圖描述自然界的一切相互作用，研究能解釋今天實驗結(jié)果并能預(yù)言未來實驗結(jié)果的模型、理論構(gòu)架和數(shù)學(xué)工具。今天在這方面有許多不同的努力。

一個重要的工作點是更好地理解標(biāo)準(zhǔn)模型理論和其實驗結(jié)果，從試驗中獲得更精確的參數(shù)，這個工作點測試標(biāo)準(zhǔn)模型理論的極限來擴大我們對自然的理解。這個工作最大的困難在于量子色動力學(xué)中對多個物體計算時的困難。一些理論家將他們的精力集中在有效場論。

另一個重要的工作點是建立超出標(biāo)準(zhǔn)模型理論的模型。由于今天的實驗數(shù)據(jù)還不夠，這個工作非常困難。新的理論結(jié)構(gòu)有超對稱、阮桑模型、前子理論等等。

第三個重要的工作點是弦理論，其目的在于建立一種基于微小弦與膜而不是基于粒子的理論來統(tǒng)一描述量子力學(xué)和廣義相對論。如果這一理論取得成功，可以被看作一種“萬有理論”。

此外還有一些其它的理論工作如循環(huán)量子引力理論等。1

還原論還原論是將世界上的事物的解釋簡化到一些基礎(chǔ)的理論的哲學(xué)觀點。在粒子物理學(xué)這個觀點是提出一個可以解釋世界上的一切的一種最基礎(chǔ)的物理理論，或者用一個比較大眾化的語言來說，來尋找一個概括宇宙一切的公式。

但在粒子物理學(xué)的發(fā)展過程中也一直有人批評這種極端的還原論。這些批評者中有粒子物理學(xué)家、化學(xué)家、生物學(xué)家、固體物理學(xué)家和整體論者。他們并不向標(biāo)準(zhǔn)模型理論本身挑戰(zhàn)，但他們認(rèn)為基本粒子的特性并不一定也是它們所組成的原子、分子或更大的結(jié)構(gòu)的特性，尤其是它們并不能表達(dá)很多粒子組成的系統(tǒng)的特性?；诨煦缋碚?，一些批評者認(rèn)為即使物理學(xué)家完全認(rèn)識基本粒子的所有的特性的話，人們以此不能完全理解所有的自然的過程；另一些批評者懷疑人們能夠完全理解基本粒子的特性。1

公共政策粒子物理學(xué)的實驗結(jié)果需要使用巨大的粒子加速器才能取得。這些加速器非常昂貴（往往需要上十億美元）因此需要大量政府資助。因此粒子物理學(xué)的研究也關(guān)系到公共政策的決定。

許多人認(rèn)為花這么多的錢不值得，而且粒子物理學(xué)消耗了許多可以用到更重要的研究和教育方面的錢。20世紀(jì)80年代，在美國德克薩斯州開始建造一臺超級超導(dǎo)對撞機，這是個宏偉的計劃，費用高達(dá)80億美元，美國國會為此花掉了20億美元，在建成一條22公里的隧道后取消了這項工程。許多科學(xué)家（包括超導(dǎo)超大型加速器的支持者和反對者）相信這個決定的原因之一是因為冷戰(zhàn)結(jié)束后美國沒有必要花這么多錢在這方面與蘇聯(lián)競爭了。

此外許多反對者懷疑單一國家是否還有能力運行如此昂貴的對撞機。

一些科學(xué)界的人士相信人口的老年化對粒子物理學(xué)不利，因為他們認(rèn)為老年人更加關(guān)心眼前的事比如他們的健康和他們的父母的健康，因此對科學(xué)的資助從物理學(xué)逐漸轉(zhuǎn)移到生物學(xué)和健康科學(xué)上去了。

粒子物理學(xué)的支持者認(rèn)為為最基本的理論值得花這么多錢，這些錢對科學(xué)的其它方面也有好處。例如加速器與其副產(chǎn)品同步輻射在生物與醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，以及最早由CERN研究員所創(chuàng)立的萬維網(wǎng)。他們指出今天所有的加速器都是國際合作建立和運行的，他們懷疑取消制造加速器所節(jié)省下來的預(yù)算仍會使用在其它科學(xué)和教育的方面上。1

展望世界各地的粒子物理學(xué)家對粒子物理學(xué)近期和中期最重要的目標(biāo)的見解是一致的。近期的目標(biāo)是于2007年完成大型強子對撞機并用它來尋找希格斯玻色子和超對稱粒子。中期的目標(biāo)是建造國際直線對撞機（International_Linear_Collider, ILC）。這個對撞機的技術(shù)實現(xiàn)方法已于2004年8月決定，但其地址還沒有決定。國際直線對撞機與大型強子對撞機是互相補充的實驗設(shè)備，大型強子對撞機更適合用來尋找新的粒子，而國際直線對撞機則更適合用來精確地測量這些粒子的特性。

粒子物理學(xué)的其它重要目標(biāo)包括測量中微子的靜質(zhì)量和澄清質(zhì)子的雙重β衰變是否存在。這些實驗不一定需要使用對撞機。1

參見基本粒子

原子物理學(xué)

原子核物理學(xué)

量子物理學(xué)

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李曉林 - 教授 - 西南大學(xué)