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2014年1月11日 星期六
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第五章
粒子世界
§1正电子、中子、反质子和反中子
原子世界物质结构的基本组元是原子，原子世界的基本特征尺度为十分之一纳米，原子世界的能量标度是电子伏特．
最初认识的基本粒子
再把特征尺度缩小十万倍，小到百万分之一纳米，就进入了粒子世界．20世纪初在研究原子结构规律时，就已经认识了最初的几个基本粒子．质子、电子、光子是最早被认识到的几个基本粒子，这三种粒子都是稳定的粒子，质子带单位正电荷，电子带单位负电荷，光子不带电，质子和电子有放出和吸收光子的能力，它们通过电磁相互作用互相联系起来．当时实验上还显示不出它们的体积大小，看不到它们有内部结构，可以认为是“点”粒子．人们认为这些粒子是物质结构的最小的单元，把它们统称为基本粒子．20世纪初，物理学中已清楚地认识了的物质的基本相互作用有两种：引力相互作用和电磁相互作用．它们之间有共同点又有不同点，它们都是与距离平方成反比的长程力，引力相互作用总是吸引，电磁相互作用则遵循“同性相斥、异性相吸”．质子和电子之间既有电磁相互作用，又有引力相互作用．英国天文学家和理论物理学家爱丁顿(Arthur Stanley Eddington)曾认为基本粒子就是质子、电子、光子三种，而宇宙就是由总数约1079个质子和电子构成，是一个有限无边的正在膨胀的宇宙．从这种理论出发，也就提出了一系列需要研究解答的基本问题：为什么电荷有最小单位？为什么电荷最小单位所决定的精细结构常数值约为1/137.036？为什么正电荷的最小单位比负电荷的最小单位质量重1836.15倍？为什么宏观上正负电是对称的，但正负电荷的最小单元又非常不对称？然而物理学实验和理论的发展很快地打破了这个格局，陆续发现了几个新的基本粒子，展示了粒子世界的丰富多采的新局面．
狄拉克的理论和正电子的发现
1928年英国物理学家狄拉克(Paul Adrien MauriceDirac)提出了一个电子运动的相对论性量子力学方程，即狄拉克方程．利用这个方程研究氢原子能级分布时，考虑有自旋角动量的电子作高速运动时的相对论性效应，给出了氢原子能级的精细结构，与实验符合得很好．从这个方程还可自动导出电子的自旋量子数应为1/2，以及电子自旋磁矩与自旋角动量之比的朗德g因子为轨道角动量情形时朗德g因子的2倍．电子的这些性质都是过去从分析实验结果中总结出来的，并没有理论的来源和解释．狄拉克方程却自动地导出这些重要基本性质，是理论上的重大进展．利用这个方程还可以讨论高速运动电子的许多性质，这些结果都与实验符合得很好．这些成就促使人们相信狄拉克方程是一个正确地描写电子运动的相对论性量子力学方程．既然实验已充分验证了狄拉克方程的正确，人们自然期望利用狄拉克方程预言新的物理现象．按照狄拉克方程给出的结果，电子除了有能量取正值的状态外，还有能量取负值的状态，并且所有正能状态和负能状态的分布对能量为零的点是完全对称的．自由电子最低的正能态是一个静止电子的状态，其能量值是一个电子的静止能量，其他的正能态的能量比一个电子的静止能量要高，并且可以连续地增加到无穷．与此同时，自由电子最高的负能态的能量值是一个电子静止能量的负值，其他的负能态的能量比这个能量要低，并且可以连续地降低到负无穷．这个结果表明：如果有一个电子处于某个正能状态，则任意小的外来扰动都有可能促使它跳到某个负能状态而释放出能量．同时由于负能状态的分布包含延伸到负无穷的连续谱，这个释放能量的跃迁过程可以一直持续不断地继续下去，这样任何一个电子都可以不断地释放能量，成为永动机，这在物理上显然是完全不合理的． 针对这个矛盾，1930年狄拉克提出一个理论，被称为空穴理论．这个理论认为由于电子是费米子，满足泡利不相容原理，每一个状态最多只能容纳一个电子，物理上的真空状态实际上是所有负能态都已填满电子，同时正能态中没有电子的状态．因为这时任何一个电子都不可能找到能量更低的还没有填入电子的能量状态，也就不可能跳到更低的能量状态而释放出能量，也就是说不能输出任何信号，这正是真空所具有的物理性质．按照这个理论，如果把一个电子从某一个负能状态激发到一个正能状态上去，需要从外界输入至少两倍于电子静止能量的能量．这表现为可以看到一个正能状态的电子和一个负能状态的空穴．这个正能状态的电子带电荷－e，所具有的能量相当于或大于一个电子的静止能量．按照电荷守恒定律和能量守恒定律的要求，这个负能状态的空穴应该表现为一个带电荷为＋e的粒子，这个粒子所具有的能量应当相当于或大于一个电子的静止能量．这个粒子的运动行为是一个带正电荷的“电子”，即正电子．狄拉克的理论预言了正电子的存在．
1932年美国物理学家安德森(Carl David Anderson)在宇宙线实验中观察到高能光子穿过重原子核附近时，可以转化为一个电子和一个质量与电子相同但带有的是单位正电荷的粒子，从而发现了正电子，狄拉克对正电子的这个预言得到了实验的证实．正电子的发现表明对于电子来说，正负电荷还是具有对称性的．狄拉克的空穴理论给出了反粒子的概念，正电子是电子的反粒子．
反粒子
这样自然提出了一个新问题：究竟反粒子的存在是电子所特有的性质，还是所有的粒子都具有的普遍的性质．如果所有的粒子都有相应的反粒子，首先检验的是应该存在质子的反粒子、中子的反粒子．这个问题在24年之后从实验上解决了， 1956年美国物理学家张伯伦(Owen Cham-berlain)等在加速器的实验中，发现了反质子，即质量和质子相同，自旋量子数也是1/2，带一个单位负电荷的粒子．接着又发现了反中子．后来发现，各种粒子都有相应的反粒子存在，这个规律是普遍的．有些粒子的反粒子就是它自己，这种粒子称为纯中性粒子．光子就是一种纯中性粒子，光子的反粒子就是光子自己．在粒子物理学中，已不再采用狄拉克的空穴理论来认识正反粒子之间的关系，而是从正反粒子完全对称的场论观点来认识．一切粒子都有与之相应的反粒子，这个普遍结论被几十年的粒子物理的发展不断印证．“反粒子”已成为粒子物理学中一个重要的基本概念，并且其本身的含义也在不断地发展和充实．
中子
1932年查德威克在实验中发现中子，中子不带电，质量比质子略重，是电子的1838.67倍，自旋量子数是1/2，中子和原子核之间在近距离有很强的相互作用，中子是基本粒子家族的新成员．中子有一个性质和质子及电子都不同，自由质子和自由电子都是稳定粒子，但自由中子却不是稳定的粒子．当自由中子产生后，平均经过887秒就要衰变掉，中子消失了，产生一个质子和一个电子，再加一个当时还没有被观察到和被发现的中性粒子，即反中微子．中子的这个性质就使人们怀疑中子是否是一个复合粒子，是由质子和电子再加另外的中性粒子组成，自由中子的衰变就是一个分解的过程，就像水分子分解成氢原子和氧原子一样．这个可能性立即就被排除掉了，当时的实验没有观察到质子的体积大小，如果质子有一定体积大小，它的半径不会大于1费米，中子的半径也是相同的数量级．如果中子中包含电子，电子的位置就被限制在中子的体积内，即在半径小于1费米的球体积内．从不确定关系给出在中子中电子动量的不确定范围，从而可以估计出电子具有的静止能量加动能值至少达到49.3兆电子伏待，这是自由电子静止能量的96.5倍．具有这么大能量的电子不可能和质子一起被束缚在中子里，这表明中子不可能由质子和电子再加其他中性粒子所组成．
中子是人们发现的第一个不稳定粒子，中子的衰变过程不是复合粒子的分解，而是粒子的转化．中子衰变时，中子消失了，同时产生了一个质子和一个电子，再加一个反中微子．在这个衰变过程中，中子、质子、电子、反中微子的数目都是可变的．
粒子的转化是粒子世界中粒子运动特有的新形式，尽管粒子世界中观察到大量的粒子反应和衰变过程，看起来很像化学中的化合与分解，但是两者的性质和机理是截然不同的．化学中的化合与分解是原子间的重新组合，粒子世界中的粒子反应和衰变则完全是粒子的转化，是粒子的湮没和产生，一般并不能归结为粒子的重新组合．
§2μ子、π介子、中微子和反中微子
汤川的介子场理论
1935年日本科学家汤川秀树提出了核力的介子场理论．按照汤川理论，质子和中子之间、质子和质子之间以及中子和中子之间的核力相互作用都是通过交换一种有静止质量的媒介粒子来实现的，正如带电粒子之间的电磁相互作用是通过交换静止质量为零的光子来实现的一样．媒介粒子有静止质量决定了这种相互作用是短程的，也就是说，当距离超过某一称为“力程”的长度时，相互作用的强度就迅速减少到可以忽略的地步．决定质子、中子放出和吸收媒介粒子能力的耦合常数很大，这就决定了在近距离时这种核力远比电磁相互作用要强．根据实验观察到的核力力程的数量级约为1费米，估计出这种媒介粒子的静止质量应该约是电子的200到300倍，介于电子和质子之间．汤川把这种媒介粒子称为介子．
μ子
1936年安德森在宇宙线实验中发现了一种质量约为电子质量206.77倍的带正或负单位电荷的粒子．当时人们曾认为它就是汤川预言的核力的媒介粒子，称之为μ介子．但是以后多年的研究发现，μ介子与原子核的相互作用很弱，即使在非常近的距离也没有表现出有超出电磁相互作用以外的其他相互作用，它不可能是汤川所预言的那种介子．
由于μ介子实际上并不是原来含义下的介子，它被称为介子乃是历史的误会．因此后来就统一称之为μ子而不再称它为μ介子，μ子也是不稳定粒子，自由μ子的平均寿命是2.197微秒，是中子平均寿命的四亿分之一．在迄今为止所发现的不稳定的粒子中，μ子是除中子外平均寿命最长的粒子．μ子衰变时转化为一个电子、一个中微子和一个反中微子．
π介子
1947年英国物理学家鲍威尔(Cecil Frank Powell)在宇宙线实验中又发现了一种质量约为电子质量273倍的带正或负单位电荷的粒子，它与原子核之间有很强的相互作用，称为π介子．π介子也是不稳定粒子，平均寿命是26.03纳秒，也就是1亿分之2.603秒．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．1950年发现中性的π介子，它比带电π介子质量轻一些，也是不稳定粒子，平均寿命是1亿亿分之0.84秒．
中微子和反中微子
中子和μ子衰变时都要产生中微子或反中微子，但是它们的发现却经过很长的时间．中微子和反中微子都不带电，它们都不参与电磁相互作用，它们也都与原子核之间没有核力相互作用．这样它们运动时和所遇到的各种物质分子、原子、原子核、电子都没有可以察觉的相互作用，各种物质对于它们都是近于透明的，当中微子穿过地球时，也只有一百亿分之一的中微子被吸收掉．因此，即使中微子或反中微子已经存在了，也很难被观察和检测到．
1896年贝可勒尔发现铀原子核具有放射性，后来发现许多原子核有放射性．原子核的β衰变是发射一个电子，同时这原子核转变为原子序数增加1的新原子核．按这样的机理来分析，原子核的β衰变是从一个粒子到两个粒子的衰变过程．如果开始时原子核是静止的，动量守恒要求衰变时产生的电子和新原子核所获得的动量大小相等、方向相反．再加上能量守恒的限制，又要求发射的电子的能量是确定的值．然而大量原子核β衰变的实验显示发射出的电子的能量并不是确定的值，而是可以在从零开始一直到某一个最大能量值之间的一个范围内连续变化．这个结果曾被人们认为是表明原子核的β衰变过程中能量动量守恒遭到了破坏．1931年泡利为了解释原子核β衰变中的能量动量守恒上的疑难，提出原子核β衰变时除了发射一个电子外，可能同时还发射某种未知的轻的中性粒子，这样原子核的β衰变就是从1个粒子到3个粒子的衰变过程．这样能量守恒要求电子的能量加这个轻的中性粒子的能量之和是一个常数，电子的能量自然可以在从零到某一个最大值之间的一个范围内连续变化．1933年费米进一步研究了这一假设，并把这种中性粒子命名为中微子．
1956年美国物理学家科恩(C．L．Cohen)和莱因斯(Fred Reines)发现反中微子，这样光子、电子、正电子、质子、反质子、中子、反中子、μ子、π介子、中微子、反中微子就是初期认识的一批基本粒子．在这些粒子中，光子、电子、正电子、质子、反质子、中微子、反中微子是稳定粒子，它们占大部分，中子、反中子、μ子、π介子则属于不稳定粒子．
§3从基本粒子到粒子
对基本粒子性质的实验研究主要是观察基本粒子在相互碰撞时的运动行为，碰撞的能量越高，能够辨认的空间距离越小．在50年代以前，由于实验上没有能够测出这些基本粒子的空间大小，基本粒子被认为是物质微观结构的最小单元，因此一直统称为基本粒子．在这以后，凡是和已发现的基本粒子可以相互作用和相互转化，并且在当时实验认识水平上被认为同属于物质微观结构最小层次的粒子，都统称为基本粒子．
60年代以来，实验上陆续发现了大量新的基本粒子，几年内新发现的基本粒子数目成倍地增加．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，也就是电荷分布半径为0.8费米，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．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．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．表明即使电子的半径不为零的话，也应小于一千分之二费米．这显示对于电子等基本粒子，仍然观察不到它们占据的空间大小，仍然可以把它们看做是“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．因此自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”这个名称已经成为历史的陈迹．
§4粒子世界运动的特点
粒子运动的基本特点
粒子的运动有它的独有的特点，描写粒子运动的理论必须充分反映了这些特点．粒子世界中粒子运动性质有三个特有的基本特点：
第一，粒子是微观尺度的客体，运动是微观尺度的运动．描写微观尺度运动的特征量是普朗克常数h，描写微观粒子运动的规律的是量子力学．
第二，粒子运动是高速运动，粒子速度的变化常常可以达到和真空光速相比拟的数量级，相应地能量的变化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，描写粒子高速运动规律的是狭义相对论．
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．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．
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，全空间有无穷多的点，每个点对应至少一个自由度．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．
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，必不可免地经常遇到普朗克常数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数h（即普朗克常数h被2π除）、真空光速c、玻耳兹曼常数k都等于1．这样在描写粒子的运动规律时，这些常数就自动地不再出现，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．
质子的质量是 m＝1.6726231×10-27kg，也可以通过能量的单位MeV给出为m＝938.27231MeV．温度可以用能量的单位来描写，这时有换算关系为leV＝11，604.448K．太阳表面的温度约为6，000K，这是在地面上罕见的高温，但是它还不到一个电子伏特，从粒子物理世界来看是极低的温度．太阳中心的温度约为20，000，000K，即两千万开尔文，这是地面上只有在核爆炸时才能达到的极高温，它还只有1.723keV，从粒子物理世界的尺度标准来看仍然是相当低的温度．在很高能量的粒子的碰撞中可以达到在直径为1费米的小体积范围内实现温度约为140MeV，这相当于1.625万亿开尔文，比太阳中心的温度约高八万一千多倍．
速度是无量纲物理量，自由粒子的速度沿无论任何方向的投影都只能取从-1到＋1之间的值，以反映速度的大小不能超过真空光速．角动量也是无量纲量，任何粒子运动时的轨道角动量沿无论任何方向的投影都只能取整数值，而任何粒子自旋角动量沿无论任何方向的投影都只能取整数或整数加二分之一的值．由于电荷是无量纲量，精细结构常数也是无量纲量，它的值等于1/137.036．
§5粒子的普遍内在属性
粒子的一个普遍特性是全同性．各种粒子分别有各自的内在属性，这些属性不随粒子产生的来源和粒子的运动状态而变化．一切内在属性的总和是判别和区分粒子种类的依据，属于同一种粒子的内在属性完全相同，它们之间互相不可分辨．各种粒子的千差万别反映在粒子的运动和相互作用性质的不同，通过反映粒子特征的许多种物理量表现出来，其中重要的有以下几种．
质量
所有的粒子都有确定的质量．粒子运动的速度可以很快，按相对论给出，粒子的质量是速度的函数，随速度的增加而增加．如果粒子的静止质量不为零，当速度增加到真空光速时，粒子的质量将趋于无穷大．如果某种自由粒子以真空光速运动，质量为有限值，则这种粒子静止质量为零，并且粒子只能以真空光速运动，速度不能减下来，光子就属于这类粒子．
粒子物理中所说的粒子质量都是指粒子的静止质量．现在已经发现的粒子质量分布在一个很大的范围内，已发现的具有静止质量的粒子中最轻的是电子，其质量为m=0.51099906MeV．质子的质量为m=938.27231MeV，已发现的粒子中绝大多数的质量在电子的200倍到21600倍的范围内．最重的粒子是Z粒子，其质量为m=91.187GeV，约为电子的178448倍．光子、中微子和反中微子是永远以真空光速运动的粒子，它们的质量都为零．
许多粒子是不稳定粒子，粒子的微观本性决定了：实验上测量不稳定粒子的质量实际得到的不是确定的一个值，而是在某一值附近有一定分布．这个分布可以用两个参数来描写，一个参数是实验里测量粒子质量值的平均值，通常仍称为粒子的“质量”m；另一个参数是实验测量粒子质量值在平均值附近的分布宽度，称为粒子的宽度Г．粒子的平均寿命越短，越不稳定，粒子的宽度也就越大．已发现的粒子中绝大多数的宽度小于400MeV．最宽的粒子是Z粒子，其宽度为2.490GeV．
现在实验还没有测到光子、中微子、反中微子的质量，因此认为它们是静止质量为零的粒子．直接的实验测量确实没有测量到光子的静止质量，现有的理论也认为光子的质量为零．然而，光子是不是可能有很轻的质量，只是由于太轻，在一般情况下完全可以忽略，这个问题需要从实验上来解决．现在实验上得到光子的质量小于3×10-27电子伏特，也就是说光子有可能没有静止质量，如果有的话，其值也要小于这个值．这个质量值太小了，它所对应的能量值不仅远小于粒子世界的能量变化数量级，远小于原子世界的能量变化数量级，也远小于宏观世界中温度接近绝对零度时分子平均能量变化的数量级，实际上，这能量对应的温度约为2.32×10-23开尔文．
物理学家做实验来测定能量怎么能得到这么高的精度呢？物理学家利用了光子是电磁相互作用的媒介粒子，因此按照量子理论知道光子静止质量的倒数等于电磁相互作用的力程长度．如果光子的静止质量等于零，力程就等于无穷大，电磁相互作用就是长程力．如果光子的静止质量大于零，它的倒数就是电磁相互作用的力程，也就是说，电磁相互作用就是一种短程力．在地球上的实验中观察不到电磁相互作用的有限的力程，说明电磁相互作用的力程至少要比地球半径要长．为了确定电磁相互作用的力程，物理学家到天文学中去观察，结果观察到7000光年的距离还没有观察到电磁相互作用的有限力程的效应．换言之，电磁相互作用的力程应该比7000光年要长，从而定出光子的静止质量要小于3×10-27电子伏特．
寿命和宽度
现在已经发现的粒子共有452种，在这些粒子中，除了光子、电子、正电子、质子、反质子、三种中微子和三种反中微子等11种是稳定的外，其余都是不稳定的，它们产生后经过一段时间就会自动“衰变”成两个或更多个其他类型较轻的粒子．粒子产生以后到衰变前存在的时间就是这个粒子的寿命．然而当粒子作高速运动时，由于相对论的时钟延缓效应，观测到的粒子的寿命比它静止时要长．反映粒子不稳定性的物理量是粒子静止时的寿命，所以实验上测定了一个运动粒子在衰变前存在的时间，首先要根据相对论换算成粒子静止时存在的时间．即使是这样，测量许多个同一种粒子在静止时的存在时间也是各不相同的，一般来说，存在时间短的粒子比较多，存在时间长的粒子比较少．这并不说明它们是不同类型的粒子，粒子的不稳定性表现为在它存在的任意时间间隔里都有一定的概率衰变掉．
静止的不稳定粒子在单位时间内衰变掉的概率称为粒子的宽度，这也就是测定不稳定粒子质量值分布时得到的宽度，它的倒数是不稳定粒子静止时的平均存在时间．测量某种粒子的寿命时，必须测量许多个同一种粒子在静止时的存在时间，再求出它们的平均值．不稳定粒子在静止时的平均存在时间称为平均寿命，简称寿命τ．由于不稳定粒子的宽度和寿命有密切的联系，它们的乘积等于1，即τГ＝1．这个重要的性质决定，不稳定粒子的寿命既可以直接测定，也可以通过测量质量分布宽度而间接确定．稳定粒子的寿命是无穷大，中子是已知的不稳定粒子中寿命最长的粒子，它的寿命是887.0秒．不稳定粒子的寿命也分布在一个很大的范围内，Z粒子是宽度最大的粒子，它的寿命也最短，其值为τ＝2.643×10-25秒．
粒子的质量和寿命是粒子的最重要的基本属性，粒子的寿命又等于粒子质量分布宽度的倒数，粒子的质量和寿命有紧密的联系，它们常常是判断和辨认粒子的依据．
如果粒子的寿命很长，在它产生后可以存在一段时间，在空间中走一段距离．可以在这段时间里观测它的许多性质，例如粒子的电荷、能量、动量、存在时间等，就可以推算出粒子的质量，并估计出粒子的寿命．这样再和已知的各种粒子的性质比较，就可以判断这个粒子是哪种粒子．如果实验中观察到的一个粒子，这样得到的粒子性质和已知的所有粒子的性质都对不上，就可以判断发现了一种新粒子．在这种情况下，即使只观察到很少的事例，甚至只有一个事例，只要测量是可靠的，也可以做结论说“发现了一种新粒子”．在这种情况下，测出新粒子的质量值是比较准的，如果事例数少，定出的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，需要事例数比较多时才能定得准．
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．现在记录带电粒子运动径迹最精细的探测设备是核乳胶，它可以探测粒子的最短寿命是10-13秒．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．
现在已经发现的452种粒子中，绝大多数粒子的寿命远比10-13秒要短得多，这些粒子的发现都不是通过直接测量径迹的方法，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他类型的粒子．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．如果这粒子确实存在，并且很快衰变为几个其他类型的粒子，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“质量”值称为这几个粒子的不变质量，它的物理意义是如果这几个粒子是由一个不稳定粒子衰变而来的，则这个不稳定粒子的质量就应该是这个不变质量．但是这里并没有说明这个不稳定粒子是否确实曾经存在过．
对于一个事例确实不能做任何判断．但如果观察了同一类的大量事例，就可以对每一个事例都算出同一组粒子的不变质量．如果在这些反应事例中，实际上并没有出现过这种不稳定粒子，则各事例算出的不变质量值是分散的，形成一个平滑的分布（如图5-1（a）所示）．如果在这些反应事例中，实际上都出现了这种不稳定粒子，则各事例算出的不变质量值应集中到一个值附近处，形成一个高峰状的分布（如图5-1(b)所示）．如果在这些反应事例中，实际上有一部分事例中出现过这种不稳定粒子，则各事例算出的不变质量值是既分散又有一定程度的集中，形成在一个平滑的分布的基础上又有一个高峰状的分布（如图5-1(c)所示）．这样通过大量事例一起分析就可以判断在所进行的粒子碰撞反应中是否出现过某种不稳定粒子，如果出现过，还可以定出来粒子的质量、宽度、粒子衰变成哪些粒子、出现的事例数占总事例数的百分比．
如果这样定出来在反应中出现过某种粒子，而这种粒子的质量、宽度、衰变行为都和已知的各种粒子不同，就可以判断发现了一种新粒子．这种分析探寻新粒子的方法就是不变质量分析方法．这种方法得到明确结果的前提是有大量的事例，事例数不够多时，难以对新粒子的存在作出确切的判断．
电荷
质子带有电荷e＝l.60217733×10-19C．所有已发现的粒子所带电荷都是质子电荷的简单整数倍，这个性质称为电荷的“量子化”．实验上对电荷的量子化进行了精确的检验，结果给出测量精确到十万亿亿分之一时仍然没有观测到和整数的差别．为什么会有电荷量子化，这是一个理论上需要回答的问题．
1931年狄拉克首先指出，尽管现在实验中没有发现磁单极，但是现有的电磁学理论允许存在磁单极，磁单极的磁荷g和任意一个和它相互作用的粒子的电荷e的乘积等于一个整数被二除．这个结果表明，如果宇宙中存在磁单极，即使只有一个，理论上就要求所有的粒子所带的电荷一定量子化．因此寻找磁单极的实验研究有特别重要的理论意义，多年来实验物理学家做了大量的工作到高空上、到很深的矿井下、在地面的实验室里，用各种方法去寻找可能存在的磁单极，到目前为止还没有能从实验上发现磁单极，还不能判断磁单极确实存在．
现在已经发现的粒子中具有的最大电荷是质子电荷的2倍．
自旋
所有的粒子都有确定的自转性质，称为粒子的自旋．粒子自旋角动量可以用一个自旋量子数J来定量描写，亦即角动量大小的平方等于J(J＋1)乘约化普朗克常数的平方．粒子可以按自旋量子数J的取值分为两类：
J取非负整数0，l，2，…时是玻色子；
J取非负整数加二分之一1/2，3/2，5/2，…时是费米子．
粒子自旋角动量在运动方向的投影称为粒子的螺旋度．量子力学规律普遍给出，自旋量子数为J的粒子的螺旋度可以取J，J-l，…-J＋l，-J，等2J＋1个值．如果换成在另一个沿粒子运动方向以比粒子更高的速度运动的系统上来观察，这时粒子的运动方向反过来了，粒子的螺旋度的值也将变号．但是如果粒子的静止质量为零，则这种粒子只能以真空光速运动，并且其螺旋度只能取J和-J两个值．由于不可能通过换一个新的参考系统来观察而得到粒子的螺旋度改变符号，这两个螺旋度状态实际上是互相独立的．
电子、质子、中子、中微子的自旋都是1/2，其中电子、质子、中子都有两个螺旋度，中微子的静止质量是零，实际上螺旋度只有-1/2一个值．光子、W粒子、Z粒子的自旋都是1，其中W粒子、Z粒子都有三个螺旋度，光子的静止质量是零，螺旋度只有1和-1两个值.π介子的自旋为零，当然只有一个螺旋度．现在已经发现的粒子中具有的最大的自旋量子数11/2．
重子数
电子是最轻的带一个单位负电荷的稳定粒子，质子则是带一个单位正电荷的稳定粒子．电荷守恒要求电子如果能衰变的话，这个单位负电荷不能消失，必须转移到衰变后产生的某个粒子上去，但是电子本身已经是带一个单位负电荷的最轻的粒子，这样电荷守恒实际上决定了电子的稳定性．正电子发现后，就提出了一个理论问题：质子并不是带一个单位正电荷的最轻的粒子，为什么质子不能衰变为一个正电子和一个光子．质子的稳定性可以用存在一个新的守恒量来解释，这个守恒量称为重子数．规定质子的重子数为1，但光子和正电子的重子数为零，质子是重子数为1的最轻的粒子，重子数守恒决定了重子的稳定性．
中子的重子数也是1．在中子衰变成一个质子、一个电子和一个反中微子的过程中，电荷是守恒的，重子数也是守恒的．中子不带电，是一种中性粒子，但中子的重子数是1，这表明它不是纯中性粒子．中子的反粒子是反中子，反中子也不带电，自旋量子数也是1/2，但它的重子数是-1，重子数把中子和反中子区分开了．
同位旋
质子和中子的质量相近〔mp＝(938.27231±0.00028)MeV，mn＝(939.56563±0.00028)MeV〕，自旋都是1/2，重子数都是1，它们参与强相互作用时，耦合常数相近，行为也相近．它们的差别主要表现为所带的电荷不同，从而电磁相互作用性质不同．它们质量的微小差别也可以归之于是与电荷不同有关的．这种情况在π+、π0、和π-介子之间也可以明显地看到，它们的质量相近〔mπ±=(139.56995±0.00035)MeV，mπ0＝(134.9764±0.0006)MeV〕，自旋都是0，重子数都是0，它们的强相互作用性质相近．后来发现这个分族相似的特性是能够直接参与强相互作用的粒子所具有的普遍特性．德国物理学家海森伯(Wemer Karl Heisenberg)提出，由于质子和中子如此相似，我们可以把它描写为一种粒子，即核子N的两个不同的带电状态．这就引进了“同位旋”的概念；并且，在强相互作用中，同位旋守恒．
“同位旋”是指在某种抽象空间中的“角动量”，在概念上与“自旋”的概念相似，只是它们隶属于不同的空间．同位旋和自旋有极大的相似性，它们的数学结构完全相同，同位旋守恒的数学表述也和角动量守恒的数学表述相同．它们的不同在于，自旋作为角动量，与普通三维空间中在旋转下的行为有关，因此说自旋在某一特定方向的投影时，是指普通三维空间中的某特定方向，在现实三维空间来看，这特定方向的选取并不固定，它可以是粒子的运动方向，也可以是空间外磁场的方向，还可以是别的方法确定的某个具体方向．然而，同位旋守恒定律的存在表示这抽象的同位旋空间尽管抽象，仍具有现实的物理意义，当说同位旋在第三轴上的投影时，它的值和粒子所带电荷有关．质子和中子统称为核子，核子是同位旋为1/2的粒子，它在第三轴上的投影等于1/2时是质子，带单位正电荷；它在第三轴上的投影等于-1/2时是中子，不带电.π介子是一个同位旋为1的粒子，它在第三轴上的投影取1、0、-1时分别是π介子的三种不同带电状态，即π+介子、π0介子、π-介子．
同位旋守恒定律的确立表明要对粒子的运动状态进行完全的描写，还需引入更多的自由度．这些自由度通常称为内部自由度，同位旋自由度是人们最先认识的粒子运动的内部自由度．
除了质量、寿命、电荷、自旋、重子数和同位旋以外，还有许多表征粒子特性的物理量．这些物理量的取值反映了粒子参与的相互作用性质和行为．粒子的不同直接反映在参与的相互作用性质和行为的不同．
§6场、粒子和真空
在物理学的发展过程中，人们对于物质存在形式的认识是在不断变化的．最初认识到微粒是物质存在的基本形式，微粒在空间占有一定的体积，有不可入性，有质量，有能量，有动量，有角动量，场是作为描述微粒间的相互作用的辅助概念引入的，并不能脱离开微粒而独立存在．后来电磁学的发展使人们认识了电磁场，又认识到场不能只看作是为了描述物理规律方便而引入的概念，场本身也是物质存在的基本形式．场也具有质量，有能量，有动量，有角动量，这些性质和微粒是一样的．但是场是充满全空间的，没有不可入性，可以互相重叠地一起存在，这些性质和微粒是不一样的．场可以脱离微粒而独立存在，独立地运动、传播和演化．这时，微粒和场被认为是物质存在的两种基本形式．
粒子世界各种粒子丰富多彩的运动、相互作用、相互转化使人们对物质存在形式有了新的认识．量子场论给出了物质存在形式的一个基本物理图象，可以描述如下：
与每种粒子相对应存在一种场，场没有不可入性，充满全空间．对应各种不同粒子的各种场互相重叠地充满全空间．例如与光子相对应存在电磁场、与电子相对应存在电子场、与中微子相对应存在中微子场、与质子相对应存在质子场、与中子相对应存在中子场，它们同时存在于全空间．
各种场的能量最低的状态称为这种场的基态，当一种场处于基态时，这种场就不能通过状态的变化释放能量而输出任何信号，从而不会显现出直接的物理效应，这时表现为看不到存在粒子．场处于激发状态时表现为出现相应的粒子，场的不同激发状态表现为粒子的数目和运动状态的不同．例如电磁场的激发状态表现为出现光子，电子场的激发状态可以表现为一个电子，也可以表现为多个电子．
按照这样的认识，物质的两种存在形式中，场是更基本的，粒子只是场处于激发状态的表现．
一般说来，场的运动状态用一个复数量来描写，场的激发也通过复量来描写，互相为复共轭的两种激发状态表现为粒子和反粒子互换的两种物理状态．例如，电子场的一种激发状态表现为存在一个电子，这种激发状态的复共轭的激发状态表现为存在一个能量、动量、自旋角动量相同的正电子．如果有某种场是用实数量来描写的，相应地场的激发也用实量描写，这时复共轭就是它自己，粒子就是它自身的反粒子．这种场就是纯中性场，这种粒子就是纯中性粒子．电磁场就是用实数量来描写的纯中性场，光子的反粒子也就是它自己．
反粒子的概念最初是狄拉克提出的，狄拉克提出空穴理论预言正电子的存在．按照空穴理论的认识．尽管正电子的性质和电子的性质在物理上是高度对称的，正电子的地位和电子并不对称，电子是粒子而正电子是“空穴”．现在的认识就不同了，他们处于完全对称的地位．正电子是电子的反粒子，电子也是正电子的反粒子，它们之间是复共轭的关系．
现在知道，一切粒子都有相应的反粒子，反粒子的质量、寿命与自旋与粒子相同，但带的电荷、重子数等都和粒子符号相反．只有中微子有所不同，中微子的质量为零，自由中微子永远以真空光速运动．中微子的螺旋度只有-1/2，也就是说只有“左旋”中微子．反中微子的质量也是零，也永远以真空光速运动．但反中微子的螺旋度只有1/2，也就是说只有“右旋”反中微子．纯中性粒子的反粒子就是它们自己，已知的纯中性粒子的自旋量子数都是整数．光子和中性π0介子都是纯中性粒子．
当所有的场都处于基态的时候，任何一个场都不可能释放出能量而给出信号，显现出粒子，这时是物理上的真空．由此可见，真空并不是“真”的“空”无一物．真空状态时，全空间充满了各种场，物理真空并不空．
互相重叠充满全空间的各种场之间有相互作用，无论是处于基态还是处于激发状态的场都同样地与其他场相互作用．
§7相互作用
相互作用的场论机理
粒子是场处于激发状态的表现，因此粒子间的相互作用来自场之间的相互作用．场之间的相互作用是粒子转化的原因．
场论对粒子间的相互作用的机理给出了清楚的图象．现在考虑中子的衰变过程．自由中子为什么会自动衰变？一个自然的回答是中子通过相互作用而衰变．再问中子为什么会自动衰变？自然的回答是中子和质子、电子以及反中微子相互作用的结果．然而当中子存在的时候，质子、电子以及反中微子都还不存在．而当质子、电子以及反中微子存在时，中子却已经不存在了．中子和质子、电子以及反中微子没有一个时刻同时存在，它们之间又怎么能相互作用呢？这个物理图象和物理概念上的表观上的矛盾，在场论中自然地解决了．
根据场论给出的基本物理图象，回过来再看中子的衰变过程．在图5-2所示的示意图上，我们用一条线代表一种场，水平直线代表场处在基态，水平线上的隆起峰代表场的激发，表现为一个粒子．左边为真空，即所有场都处于基态的情形，右边为有一个质子和一个电子的状态．图5-3描写
个中子，而质子场、电子场和中微子场则处于基态，表现为没有质子、电子和中微子（或相应的反粒子）．经过中子场与质子场、电子场和中微子场之间的弱相互作用，中子场可以跃迁到基态把激发能量传过去而引起质子场、电子场和中微子场的激发．表现为中子消失而产生了一个质子、一个电子和一个反中微子．这就是中子衰变过程的场论图象．在这个图象中，衰变过程得以发生的原因是场之间的弱相互作用．正因为中子场与质子场、电子场和中微子场之间存在弱相互作用的联系，才使中子场的激发状态的改变引起质子场、电子场和中微子场激发状态的改变而表现为中子衰变过程．
四种相互作用
粒子之间存在相互作用．粒子间的相互作用是通过交换媒介粒子来实现的．不同的相互作用的区别在于媒介粒子的不同以及粒子放出和吸收媒介粒子的能力不同．粒子间相互作用随距离的减弱行为用相互作用力程描写，力程的物理意义是相互作用的有效作用范围，相互作用力程的数值正比于媒介粒子质量的倒数．如果媒介粒子的质量用吉电子伏特为单位，力程用费米为单位，则力程的值可以由0.197被媒介粒子的质量去除得出．粒子放出和吸收媒介粒子的能力用相互作用耦合常数来描写，不同的相互作用的耦合常数不同，常常在数量级上有很大的差别．
现在已经发现的粒子之间的相互作用有四种．一种是电磁相互作用，其媒介粒子是光子，一种是引力相互作用，其媒介粒子是引力子．这两种媒介粒子的静止质量都是零，这就决定了这两种相互作用都是长程作用，即力程等于无穷大的相互作用．正因为它们是长程作用，随距离的增加而减弱得不快，在宏观世界中就可以观察和研究，并且在19世纪就已经在宏观世界中研究得相当清楚了．再一种相互作用是弱相互作用，它的媒介粒子是带正电荷和带负电荷的W粒子和不带电的Z粒子，这三种粒子都有很重的静止质量，W粒子的质量是质子质量的85.5倍，Z粒子的质量是质子质量的97.2倍．这就决定了弱相互作用是力程很短的短程力，其力程约为一千分之二点四费米，即一百亿亿分之二点四米．还有一种是强相互作用，它的媒介粒子是介子和胶子，最轻的介子是π介子，它的质量是质子质量的0.149倍．这就决定了强相互作用也是短程力，其力程比弱相互作用的力程约大三个数量级，约为1.4费米，即一千万亿分之一点四米．这四种相互作用的媒介粒子中，介子的自旋可以是零或1，引力子的自旋是2，其他的媒介粒子自旋都是1．
四种相互作用的强度有很大的差别．如果有两个质子相距约为2．5费米，即一千万亿分之二点五米的距离，两个质子之间这四种相互作用的有效耦合常数的比较可以从列表中看出．
§8粒子世界的对称和对称性
对称和破缺
对称性是人们在观察自然和认识自然过程中所产生的一种观念．在自然界物质世界千变万化的运动演化过程中，显现出各式各样的对称性．太阳是一个球体，而球体在绕过中心的任意轴旋转某一角度后，其形状和位置都不显现任何可以察觉的变化．球体的这种性质称为绕球心的旋转对称性．正是因为如此，没有人会说看到太阳横过来或倒过来了．如果要想确切判断球体是否绕通过中心的任意轴转了一个角度，就需要在球面上添加某些记号，根据这些记号的位置变化来判断球是否作了转动．太阳表面上的黑子就可以起到这种记号的作用，人们通过观察黑子的运动判断太阳是有自转的．实际上，这些记号的作用就是使球不再具有严格的旋转对称性，亦即在一定程度上破坏了旋转对称性．物理学上称这种情况为对称性破缺．
自然界物质世界千变万化地运动演化，从一个侧面来说，就体现为显现出各式各样的对称性，同时又通过这些对称性的演化和破缺来反映出运动演化的特点，为认识物质世界运动演化的基本规律提供线索．日夜交替是人们最熟知的自然现象，24小时的昼夜循环，在时间上显现出具有周期性的平移对称．进一步的研究弄清昼夜循环的周期对称性的来源在于地球的自转．但是，我们无法根据日夜交替的特点来区分任何两天，为了能够区分和判断它，就需要找到对称性破缺的表现．人们在长期的生活中，发现昼夜的时间长短比例和夜间星群的分布都有相似的周期性变化，而且月亮每天的位置和形状也不相同，后来，逐渐有了年的概念并产生了历法．四季交替的年的周期对称性的来源在于地球的公转以及地球自转轴对公转平面有一定的倾斜．从对称性的角度来看，地球上的生活环境显现出以24小时为周期的时间平移对称性，但正是由于地球自转轴对公转平面的倾斜，使得这个对称性又有了微小的破缺，它提供了不同的两天之间的区分依据，同时通过这个破缺又显现出年的周期对称性和农历月的周期对称性．如果日的周期对称性严格的不破缺，如果地球自转轴垂直于公转平面，那就不可能显现出四季交替的年的周期对称性和农历月的周期对称性．
从一定意义上来说，运动的多样性的一个重要表现是自然界同时显现出多种不同类型的对称性．这些对称性互相交织在一起，在演化过程中不断有对称性发生破缺，同时往往又显现出新的对称性来，因此研究自然现象中显现的各种对称性，研究它们产生和破缺的演化规律，是人们认识自然规律的一个重要方面．
变换和对称的分类
一个球具有绕球心的旋转对称性，这是把球在转动前和绕球心转某一角度后的情况进行比较而得出的结论．由此可见，无论什么样的对称现象，都是与把两种不同的情况加以比较分不开的．在数学上，将两种情况间通过确定的规则对应起来的关系，称为从一种情况到另一种情况的变换．物理学中对称性的观念可以概括为：如果某一现象或系统在某一变换下不改变，则说该现象或系统具有该变换所对应的对称性．
既然每一种对称性都和某种特定的变换相联系，那么对称性的千差万别也就集中反映在与之相联系的各种变换上．因此，可以根据变换所涉及的对象以及变换的性质来对对称性进行分类．对空间性质进行变换所对应的对称性统称为空间对称性，例如在三维空间中描述物体位置和运动的参考系的原点平移的变换对应的是空间平移对称性，参考系的坐标架绕过坐标原点的任意轴旋转的变换对应的是空间旋转对称性；对时间性质进行变换所对应的对称性统称为时间对称性，例如计时原点平移的变换所对应的是时间平移对称性．空间对称性和时间对称性是最基本、最常见的对称性，但并不是所有的对称性都能归入到这两类对称性之中．
各种物体的性质及其运动的不同，不仅体现在对空间和时间的描述上，还体现在一些与空间和时间的描述相独立的其他性质上．物理学中把通过与空间和时间相独立的其他性质的变换所体现的对称性，称为内部对称性．在宏观物理学的范围里，内部对称性常常具有很大的直观性，因此认识其存在并没有很大困难．在微观范围里，内部对称性的直观性减弱了，这并不表明内部对称性的重要性减少了．事实上，随着物理学对微观世界的探索日益深入，认识到的内部对称性也越来越多，如同位旋、奇异数、粲数、底数、轻子数、重子数、P宇称、C宇称、G宇称、CP宇称……等．
内特尔定理
在物理学规律的探索过程中，对称性的观念起了非常重要的作用．当人们熟悉了对称性的观念之后，便想要弄清对称性和自然规律的关系是什么，如何通过已经观察到的对称性来探索未知的事物．
德国女数学家内特尔(Amalie Emmy Noether)在这方面探索研究中证明了一个重要定理，即内特尔定理．这个定理的得出是理论物理学的重要进展，这个定理首先是在经典物理学中普遍证明的，后来经过推广，很快证明在量子力学范围内也能普遍成立．这个定理指出：如果运动规律在某一不明显依赖于时间的变换下具有不变性，必对应存在一个守恒定律．
按照内特尔定理，物理规律如果具有空间坐标平移不变性，则相应地存在一个守恒定律，即动量守恒定律；物理规律如果具有空间转动不变性，则相应地存在一个守恒定律，即角动量守恒定律；物理规律如果具有时间平移不变性，则相应地存在一个守恒定律，即能量守恒定律．这些守恒定律是在经典物理中早已熟知的，这些对称性涉及的变换都是时空性质上的变换，这些对称性可以分类为时空对称性．粒子物理学的发展揭示出微观粒子（和相应的场）的运动规律具有许多过去不认识的内部对称性．前面已讲到的同位旋和重子数，就是内部对称性所决定的守恒量．
§9粒子世界的守恒量
在对物质运动基本规律的探讨过程中，守恒定律的研究占了重要的地位．从历史发展过程来看，无论是经典物理学还是近代物理学，一些重要的守恒定律常常早于普遍的运动规律而被认识．质量守恒、能量守恒、动量守恒、电荷守恒就是人们最早认识的一批守恒定律，这些守恒定律的确立为人们认识普遍运动规律提供线索和启示，是人们最终认识普遍运动规律是不可缺少的重要环节．
能量、动量、角动量、电荷……等是人们在经典物理学中就已熟知的守恒量．在微观物理学中，特别是在粒子物理学中，除了这些守恒量之外，还出现许多新的守恒量，如同位旋、奇异数、粲数、底数、轻子数、重子数、P宇称、C宇称、G宇称、CP宇称……等．
微观物理学中遇到的守恒量，从其与经典物理学的关系来说，又可以区分为两类：有经典对应的守恒量和无经典对应的守恒量．能量、动量、角动量、电荷等都是在经典物理学的研究中早已熟知的守恒量，它们都属于有经典对应的守恒量．有经典对应的守恒量都是相加性守恒量．同位旋、奇异数、粲数、底数、轻子数、重子数、P宇称、C宇称、G宇称、CP宇称都是无经典对应的守恒量．
从守恒量的数学表述来看，基本的守恒量可以区分为两大类：第一类守恒量，一个复合体系的总守恒量是其各组成部分所贡献该守恒量的代数和，例如多个粒子组成的系统，它的总电荷等于所有粒子的电荷之和，它的总角动量等于所有粒子的自旋角动量和轨道角动量之总和；第二类守恒量，一个复合体系的总守恒量是其各组成部分该守恒量的乘积，一般说来，这类守恒量的可取值只能是+1或-1．这两类守恒量可以分别称为相加性守恒量和相乘性守恒量．从物理学上考察，对称性所涉及的变换可以是连续变换，也可以是分立变换．连续变换不变性所决定的守恒量是相加性守恒量，即守恒性质表现为系统中各部分该守恒量的代数和在运动过程中不变．分立变换不变性所决定的守恒量是相乘性守恒量，即守恒性质表现为系统中各部分该守恒量的乘积在运动过程中不变．能量、动量、角动量、电荷、同位旋、奇异数、粲数、底数、轻子数、重子数都是相加性守恒量；P宇称、C宇称、G宇称、CP宇称、全同粒子交换变换都是相乘性守恒量．
有经典对应的守恒量都是相加性守恒量．相乘性守恒量都是无经典对应的守恒量．
既然守恒定律的表现形式为一个孤立系统某物理量的总量在运动过程中不随时间改变，那么守恒定律的成立与否就直接和该孤立系统的运动规律有关，特别是与相互作用有关．从这个关系上来考察，又可以把守恒定律分为两类，从而把守恒量也分为两类．如果一个守恒定律对各种相互作用都成立，则称为严格守恒律；如果一个守恒定律对某些相互作用成立，但对另一些相互作用则不成立，并且在运动过程中后者影响是次要的，则称为近似守恒定律（或部分守恒定律）．
按照上述区分，能量、动量、角动量、电荷是有经典对应的相加性严格守恒量；轻子数、重子数都是无经典对应的相加性严格守恒量；同位旋、奇异数、粲数、底数、顶数是无经典对应的相加性近似守恒量，同位旋只在强相互作用下守恒，奇异数、粲数、底数、顶数在强相互作用和电磁相互作用下守恒，但在弱相互作用下可以不守恒；全同粒子交换变换是无经典对应的相乘性严格守恒量；P宇称、C宇称、G宇称、CP宇称是无经典对应的相乘性近似守恒量，G宇称只在强相互作用下守恒，P宇称、C宇称在强相互作用和电磁相互作用下守恒，但在弱相互作用下可以不守恒，CP宇称在强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用下都守恒，但在弱相互作用下可以含有约千分之二的不守恒．
§10左右对称性和宇称守恒问题
在宏观范围内运动规律具有很好的左右对称性，亦即在空间三个坐标轴都反向的空间反射变换下具有不变性，但在宏观范围内这种不变性并不对应存在守恒定律，在微观范围内如果运动规律具有左右对称性，则对应存在P宇称守恒定律，这时系统的P宇称值将在整个运动过程中恒为+1或-1．
1956年前后，在对最轻的奇异粒子衰变过程的研究中遇到了一个疑难问题，即“θ-τ疑难”．这个疑难表现为：实验中发现了两种质量、寿命和电荷都相同的粒子θ和τ，衰变时，θ衰变为两个π介子，τ衰变为3个π介子．实验结果的分析表明，3个π介子的总角动量为零，宇称为负；而2个π介子的总角动量如为零，则宇称只能是正．因此从质量、寿命和电荷来看，θ和τ似乎应是同一种粒子，但是从衰变行为来看，如果宇称是守恒量，则θ和τ就不可能是同一种粒子．
1956年美籍华裔物理学家李政道和杨振宁全面分析了与θ-τ疑难有关的全部实验和理论工作之后指出，这个疑难的关键在于认为在微观粒子的运动过程中宇称是守恒的．他们指出，在强相互作用和电磁相互作用过程中宇称守恒是得到了实验的判定性检验的，但是在弱相互作用过程中宇称守恒并没有得到实验的判定性检验．李政道和杨振宁提出，这个疑难产生的原因在于弱相互作用过程中宇称可以不守恒．他们进一步建议可以通过钴60的衰变实验来对这一点进行判定性检验．实验的原理是利用核磁共振技术使钴60的原子核极化，也就是使原子核的自旋方向沿着确定的方向排列，然后观察钴60通过β衰变放出电子的方向分布．如果宇称是守恒的，则包含自旋轴正向的半球方向内射出的电子数应与包含自旋轴负向的半球方向内射出的电子数相近，即左右对称；反之如果这两个半球方向内射出的电子数不相等，即表现出明显的左右不对称性，则表明弱相互作用过程中宇称可以不守恒．1957年美籍华裔物理学家吴健雄精确地进行了这个实验，证实了李政道和杨振宁提出的分析判断．
过去人们对于守恒定律的理解比较简单，弱相互作用宇称不守恒的确立告诉人们：各种守恒定律的适用范围可以是不同的，有些物理量在一切相互作用过程中都是守恒的，而有些物理量则只在某些相互作用过程中才是守恒的．宇称就是人们认识的第一个只在某些相互作用过程中才守恒的相乘性守恒量．在研究各种守恒定律时，无论涉及的是相加性守恒量还是相乘性守恒量，都要注意和研究这些守恒定律的适用范围．
P宇称在强相互作用和电磁相互作用过程中守恒，但在弱相互作用过程中不守恒．因此对不直接参与强相互作用和电磁相互作用的中微子，没有确定的P宇称．
§1l CP守恒和CP破坏
粒子世界有三个基本的分立变换：一个是粒子和反粒子互换的正反粒子变换，简称C变换；一个是空间三个坐标轴都反向的空间反射变换，简称P变换；一个是时间反演变换，简称T变换．
理论上可以证明一个重要的基本定理，即CPT定理，即在正反粒子变换、空间反射变换、时间反演变换的联合作用之下，满足因果关系和自旋统计关系的点粒子的运动规律是不变的．如果运动规律在空间反射变换下是不变的，在C变换下也是不变的，并且在时间反演变换下也是不变的，那么CPT定理显然是成立的；但是，如果宇称是可以改变的，即在空间反射变换下运动规律不具有不变性，而按CPT定理，运动规律在CPT联合变换下是不变的，那么就可以判断运动规律至少在C变换或时间反演变换其中的一个之下不再保持不变．
在李政道和杨振宁发现弱相互作用中宇称可以不守恒之后，经过物理学家的研究，很快就确认弱相互作用的运动规律是在C变换下不再保持不变．但是弱相互作用的运动规律在正反粒子变换和空间反射变换的联合变换，即CP变换下仍然是不变的．在此基础上，1958年建立了正确描写弱相互作用的普遍理论．
1964年克洛宁(J．W．Cronin)等在实验中证实弱相互作用中CP变换不变性也不再保持，进一步的研究表明，弱相互作用中CP破坏的部分只占千分之二．为什么在弱相互作用中会有CP破坏的部分，为什么CP破坏的部分只占千分之二，这种CP破坏的机理是什么，一直是现代粒子物理理论研究的重要课题之一．
§12奇异粒子和奇异数
奇异粒子
1947年，罗彻斯特(G．Rochester)和巴特勒(C．Butler)在宇宙线实验中首先观察到了后来被称为奇异粒子的一类粒子，但是只有在加速器实验中大量产生了奇异粒子后，它们的“奇异”特性才充分地展现出来并得到系统的研究．这些新粒子有一些重要的、过去已发现的强子所没有的奇异特性，所以被统称为“奇异粒子”．在这以前已经发现并已被熟知的核子和π介子等强子则统称为普通强子，普通强子和光子、电子、正电子、μ子、中微子、反中微子等合起来统称为普通粒子．奇异粒子具有以下几个明显的特性：
(1)它们是协同产生、独立衰变．也就是在高能粒子的碰撞过程中至少两个奇异粒子一起产生，然后每个奇异粒子再分别独立地衰变掉，最终衰变成的粒子都是过去已知的粒子，即普通粒子，而不再有奇异粒子了．
(2)它们是快产生、慢衰变．也就是说奇异粒子产生于粒子的高能碰撞，碰撞经历的时间数量级为10-24s，而它们衰变的平均寿命则长得多，时间数量级为10-10s或更长，两个时间数量级的差别约为1014倍．
1953年美国物理学家盖耳-曼(Murray Gell-Mann)和日本物理学家中野董夫、西岛和彦彼此独立地提出奇异粒子的这些特性可以用客观上存在一种新的守恒量子数来概括．这种新守恒量子数称为奇异数，它只能取整数值．过去熟知的普通粒子的奇异数都定为零．奇异粒子的奇异数不为零．在强相互作用和电磁相互作用过程中，奇异数守恒，在弱相互作用过程中，奇异数可以不守恒，也就是说在弱相互作用过程中奇异数可以不改变，也可以改变1．奇异粒子的产生是通过强相互作用的碰撞来实现的，碰撞的整个过程时间很短．由于实验只能通过普通粒子的碰撞来实现，所以强相互作用过程中奇异数守恒决定了末态中奇异粒子必须协同产生，这样才有可能使产生的奇异粒子的奇异数互相抵消．奇异粒子的衰变是通过弱相互作用实现的过程，因为相互作用很弱，所以需要的时间较长，但不再要求奇异数守恒了，这样每一个奇异粒子可以分别独立地衰变成几个普通粒子．
因此，奇异粒子“奇异”性质的来源在于奇异数S的近似守恒性质：对于强相互作用和电磁相互作用过程，△S=0；对于弱相互作用过程，｜△S｜=0，1．
奇异数
各种粒子奇异数S的值是根据奇异数守恒的要求以及实验结果分析所赋予的．从这两方面的要求来说，各种粒子的奇异数S的值并没有完全确定下来．事实上如果把已经确定的各种粒子奇异数S的值都乘一共同常数值作为新定义的奇异数S的值，则上述奇异数守恒的要求仍然能够满足；如果把上面所给出各粒子的S值再加一个强相互作用过程中守恒的相加性守恒量作为新定义的守恒量，上述奇异数守恒的要求亦仍然能满足．为了避免这些不确定性带来的任意性，粒子物理学家实际上采取了自然的约定，即以最初确定的几个奇异粒子的奇异数的值为标准来确定其他粒子的奇异数的值．
盖耳-曼和西岛和彦提出强子的电荷Q、同位旋沿“第三方向”（注意这是指抽象的同位旋空间而言）的投影I3、重子数b和奇异数S有以下关系：
称为盖耳-曼-西岛关系．以后的实验充分证明这个关系的普遍性，这个关系在60年代强子对称性研究及强子分类理论的探索中是一个重要的基本关系式．盖耳-曼-西岛关系中的重子数b和奇异数S总是相加在一起出现，有时人们又引入超荷Y=b＋S来代替奇异数．
奇异数的引入很好地解释了奇异粒子的特性．在这以前，粒子物理学所认识到的守恒量除能量、动量、角动量、电荷外，按加法计算的守恒量只有同位旋的分量，但是同位旋的概念和粒子的电荷有一定的联系，而奇异数则完全是根据实验的规律性独立地总结出来的客观存在的守恒量．
奇异量子数的下述两个特点对粒子物理学的发展是有启示意义的：(1)它是一个“近似”守恒的相加性守恒量，在强相互作用和电磁相互作用下严格守恒，但是在弱相互作用下可以不守恒；(2)与电荷不同，奇异数本身不是某种相互作用的“荷”，奇异数不代表某种相互作用的作用强度，因此它的确定只能通过实验的分析总结，不能像电荷那样通过它所体现的相互作用性质的动力效应来测定．奇异数的存在和被认识给人们以启示：粒子物理中丰富多彩的内容表现之一就是自然界中客观上还可能存在其他一些反映粒子内部性质的量子数，它们有可能是“近似”守恒量，有可能并不是某种相互作用的“荷”．
1974年以后发现了粲数C，1977年以后发现了底数B，1995年发现了顶数T，都是属于类似于奇异数的这类量子数．考虑到强子物理的这些发展，盖耳-曼-西岛关系已经推广为
．
§13粒子的分类
现在已经发现的可以自由状态存在的粒子按它们参与相互作用的性质分为以下几类：
(1)规范玻色子：各种相互作用的媒介粒子．
已经发现的可以自由状态存在的规范玻色子有4种：一种是电磁相互作用的媒介粒子，即光子；另外3种是弱相互作用的媒介粒子，即带正电荷和带负电荷的W粒子以及不带电的Z粒子．
原始的强相互作用称为色相互作用，它的媒介粒子称为胶子，胶子有8种．有实验证据表明在粒子参与强相互作用时，胶子确实在相互作用过程中存在并且确实在起作用．但是迄今为止还没有发现自由状态下的胶子．由于引力相互作用太弱，实验上也还没有发现自由状态下的引力子．
(2)轻子：不直接参与强相互作用的粒子
已经发现的带电轻子有3种，即电子、μ子、τ子，它们都带一个单位的负电荷，还有3种分别和电子、μ子、τ子对应的不带电的中性轻子，即3种中微子，它们的静止质量可能都是零．这6种粒子和它们的反粒子（通常称为反轻子）共12种轻子，它们的自旋都是1／2．
电子是最早被发现的带电轻子，后来到1936年又在宇宙线实验上发现了μ子后，人们发现电子和μ子的相互作用性质完全相同，它们都是带一个负电荷的自旋量子数为1／2的粒子，都是不直接参与强相互作用，但都可以直接参与电磁相互作用和弱相互作用，并且相互作用行为完全相同．它们之间的唯一的不同在于质量不同，μ子的质量是105.658389MeV，即是电子的206.7683倍．它们运动行为的不同都可以归结为来自于质量的不同，μ子可以被看作是一个“重电子”．为什么相互作用性质完全相同的电子和μ子质量差206.7683倍，这就成为粒子物理发展中的一个重大的理论疑难问题，称为e-μ疑难．
人们曾经推测，可能μ子能参与某种新的相互作用，而电子不能直接参与这种新的相互作用，这种新的相互作用性质造成它们之间质量上的差别．如果是这样的话，这种相互作用会造成206.7683倍电子质量的质量差，它应该是远比电磁相互作用要强得多的相互作用．对μ子进行了大量的细致的实验研究来寻找存在这种新的相互作用的证据，始终没有找到．这个疑难问题一直没有解决，又发现了τ子，它的相互作用性质和电子以及μ子完全相同，然而它的质量是1777.1MeV，是μ子的16.8193倍，是电子的3477.7倍，过去的e-μ疑难又发展成为三代轻子问题．
e-μ疑难提出时的依据是电子和μ子的相互作用性质完全相同，它们都不直接参与强相互作用，电磁相互作用性质相同反映在它们都带一个单位负电荷上，弱相互作用性质相同反映在它们参与的弱相互作用行为相同和耦合常数相同上．这个情况又称为带电轻子弱相互作用的普适性．τ子发现后，这种情况再次出现显示出电子、μ子和τ子的弱相互作用性质具有普适性，e-μ疑难又发展成为三种带电轻子弱相互作用普适性的问题和三代轻子起源问题．
带电轻子弱相互作用普适性的问题集中表现在μ子和τ子的弱相互作用耦合常数比值为1．耦合常数的值可以通过测量衰变的寿命值估算出来，由于它们的质量相差很远，必须充分估计到质量差带来的影响．μ子和τ子的弱相互作用耦合常数比值和三个物理量的精确测量值有关：第一个是τ子的质量值；第二个是τ子的寿命值；第三个是τ子衰变到电子、中微子和反中微子的这种衰变方式在所有的衰变中所占的百分比．80年代后期，综合粒子物理实验得到μ子和τ子的弱相互作用耦合常数比值明显地偏离开1．如果这个结果被确认下来，就意味着带电轻子弱相互作用普适性遭到破坏，这问题成为粒子物理实验和理论研究注视的一个重要问题．90年代初期，中国和美国物理学家合作在北京正负电子对撞机上以远比前人高得多的精度重新测量了τ子的质量，再加上τ子寿命值的测量值的改进，显示带电轻子弱相互作用普适性仍然保持．因此留给理论的需要解决的问题仍然是带电轻子弱相互作用普适性的问题和三代轻子起源问题．
(3)强子：可以直接参与强相互作用的粒子统称为强子，它们又按自旋量子数和重子数分为两类．
介子：自旋量子数为零或正整数，重子数为零的强子．
重子：自旋量子数为零或正整数加二分之一，重子数为+1或-1的强子．
现在已经发现的介子共160种，重子数为+1的138种重子和它们的反粒子（重子数为-1，通常称为反重子）共276种．现在已经发现的粒子总数为452种，其中436种是强子，占了其中的绝大多数．
在所有这些强子中，只有质子和反质子是稳定粒子，其他强子在自由状态下都要衰变．有少数几个强子主要是通过电磁相互作用衰变，有一批强子是通过弱相互作用衰变，绝大多数的强子是通过强相互作用衰变．自由中子衰变的平均寿命是887.0秒，但是当中子和质子结合成原子核时，中子就可以成为稳定的了．氘核是由一个质子和一个中子结合而成的，但在氘核中的中子却是稳定的．这是因为质子和中子结合成氘核时，已经放出了大量的能量，这样氘核所具有的能量比一对自由质子和自由中子能量之和要低．如果氘核内的中子衰变，氘核将衰变为两个质子、一个电子和一个反中微子，但是两个质子不能结合成一个复合态，而两个自由质子、一个电子和一个反中微子的能量之和大于氘核所具有的能量，这样就造成氘核实际上不能衰变．正是由于这个原因，尽管自由中子是不稳定的，但是在各种元素的原子核中却有大量的中子稳定地存在着．也正是由于同样的原因，尽管自由质子是稳定的，但和中子一起组成原子核的质子在特殊条件下却可以是不稳定的．例如，钠21原子核可以衰变为氖21原子核加一个正电子和一个中微子，这个过程正是因为有一个组成钠原子核的质子衰变成一个中子加一个正电子和一个中微子，而这个中子仍然留在原子核内作为组成氖原子核的中子，并不成为自由中子飞出来．
§14强子结构的夸克模型理论
60年代初期，实验上发现了大量的新强子．在对大量强子及其运动性质分析的基础上，1964年美国物理学家盖耳-曼和兹韦格(George Zweig)相互独立地提出了强子的结构模型，认为所有的强子都是由更深层次的粒子所组成．对于这种更深层次的粒子，盖耳-曼称之为夸克，兹韦格称之为爱司，现在一般都称之为夸克，称这个强子的结构模型为夸克模型．盖耳-曼和兹韦格当时提出夸克有3种，称为三“味”，即“上夸克”、“下夸克”、“奇异夸克”，分别用符号u、d、s代表．夸克的自旋量子数为二分之一，重子数为三分之一，上夸克带有正三分之二单位的电荷，下夸克和奇异夸克都带有负三分之一单位的电荷．上夸克和下夸克的奇异数为0，奇异夸克的奇异数为-1．重子由3个夸克组成，反重子由3个反夸克组成，介子由一对夸克和反夸克所组成．夸克模型可以很好解释当时已发现的所有强子及其运动性质，并给出许多预言．
1963年，粒子物理实验中已经发现了9个极不稳定的自旋量子数等于3／2的重子，质量都在1230MeV到1535MeV范围内，平均寿命都只有几千万亿亿分之一秒．按夸克模型，将这9个重子的组成记入符号后的括弧内为△(uuu)、△(uud)、△(udd)、△(uud)、∑(uus)、∑(uds)、∑(dds)、Ξ(uss)、Ξ(dss)．夸克模型认为，这9个粒子应该属于由10个粒子组成的一族．从这9个重子出发，预言还应该存在一个由3个奇异夸克(sss)组成的自旋量子数也等于3／2的Ω重子．理论预言Ω重子带一个单位的负电荷，其质量约为m=1678MeV，平均寿命约为一百亿分之一秒，这个寿命值比已经发现了的9个粒子的寿命值长了约12个数量级，从粒子物理世界的标准来说是相当稳定的粒子．理论还预言Ω重子衰变时的主要衰变方式有3种：一种是衰变为一个Λ重子和一个带负电荷的K介子；另一种是衰变为一个中性的Ξ重子和一个带负电荷的π介子；再一种是衰变为一个带负电荷的Ξ重子和一个中性的π介子．
夸克模型认为介子和重子都是分族地存在的，每一族粒子具有相同的自旋量子数，它们的相互作用性质相近．当时已经知道自旋量子数为0和1的介子都已有8个粒子组成一族，自旋量子数为1／2的重子也已有8个粒子组成一族．这几族粒子都是族内粒子性质相近，表现在平均寿命上，或者都是长寿命粒子，或者都是极不稳定的短寿命粒子．夸克模型对Ω重子的这个预言使物理学家们非常兴奋，因为预言所依据的已经发现的9种粒子都是极不稳定的、寿命极短的粒子，然而预言其应该存在的却是一个衰变行为和它们极不相同，和它们比起来寿命长得出奇，要长12个数量级的粒子，这在粒子物理学的发展中还是初次遇到．在实验上检验具有这些性质的Ω重子是否确实存在就成为对强子结构的夸克模型理论的一个判定性检验．
1964年，美国Brookhaven国家实验室的粒子物理实验中发现了一个带单位负电荷的重子，其质量为m= 1672.45MeV，平均寿命为0.822乘一百亿分之一秒，这种重子衰变时的主要衰变方式果然是理论所预言的那3种．粒子的质量、寿命、主要衰变方式都完全符合夸克模型的预言，这样强子结构的夸克模型理论得到了判定性检验．
夸克和反夸克结合成强子是通过比电磁相互作用强得多的相互作用而实现的，这种相互作用称为色相互作用．色相互作用的媒介粒子是胶子，夸克和反夸克通过交换胶子而结合成强子，夸克和反夸克的可以放出或吸收胶子的能力来自于它们具有色荷．夸克可以具有的色荷有3种，即每味夸克和反夸克又都分别各有3“色”．夸克放出和吸收胶子时其所带色荷可以改变，也可以不改变，这反映为胶子有3×3-1=8种，带有8种复合色．强子结构的夸克模型还进一步给出，除了重子和介子外，还可能有两个或三个胶子组成的强子，称为“胶球”；还可能有由两个夸克和两个反夸克组成的强子，称为“四夸克态”；还可能有由一对正反夸克和一个胶子组成的强子，称为“混杂子”．如果确有胶球、四夸克态或混杂子存在，它们显现出来的实验行为和一对夸克和反夸克组成的介子有极大的类似性，要把它们区分开来，需要做大量的实验研究和理论分析工作．实验和理论的分析给出，现在实验已发现的 160种介子中，有两种粒子是胶球的有希望的候选者，有一种粒子有可能是四夸克态．
§15强子结构的基本图象
在70年代中期，由于实验和理论的研究工作都取得了一系列重要的进展，使人们对强子内部结构规律的认识逐渐地明朗和深入．概括起来，可以归结为以下几点：
(l)强子是由更深层次的粒子夸克和胶子组成的复合粒子．夸克按电荷、弱相互作用性质以及在相互作用中显现的质量加以区分，可以分成为若干“味”．现在实验上已表明，组成强子的夸克不止三味，而是有六味．它们分别用u，d，s，c，b，t表示．
(2)每种味的夸克按其在强相互作用中的地位又区分为3种，称之为三“色”，即每种味的夸克又都分为“红”、“蓝”、“绿”三色．
(3)带电粒子之间的电磁相互作用是通过交换光子来实现的，与之类似，夸克（或反夸克）之间的相互作用是通过交换胶子来实现的．带电粒子所带电荷的多少决定它参与电磁相互作用的强弱，相应地，夸克所参与的强相互作用的行为和强弱是由夸克所带色荷的大小来决定的．电荷只有一种，决定了光子只有一种．夸克的色荷却有3种，这决定了胶子可以有8种．
(4)从最低级近似来看，介子由一个夸克和一个反夸克所组成，重子由3个夸克组成．这些夸克和反夸克通过交换胶子而相互作用．在强子内部，总是不断地有胶子被放出和被吸收，并处于统计平衡的状态．因此，在强子内部除了有上面所说的夸克和反夸克外，还存在数目未知然而是确定的胶子．在强子内部既然存在胶子，胶子就可以转化为夸克、反夸克对，而夸克、反夸克对又可以湮没为胶子，因此，在强子内部也还存在数目未知然而是确定的夸克、反夸克对．这样存在的每一个夸克、反夸克对在强子内部并不要求结合成一个小集团，但总起来说，夸克的数目总和反夸克的数目相等．为了将上述两处所谈的夸克加以区分，把前者称为价夸克，而把后者称为海夸克或微夸克．“价夸克”的名称是从化学中借来的，化学中称原子结构最外层没有填满壳层的电子为价电子，它决定原子的化学性质．价夸克则是强子中少数味和数目都完全确定的夸克（或反夸克），它们决定该粒子的性质．换言之，各种强子的不同反映在它们的价夸克（或价反夸克）的不同上．每个强子内部所有价夸克（或价反夸克）的色性质是保证其总合为“白色”，即整体对外来说相当于无色的（所有色都消光）．每个强子内部所有价夸克（或价反夸克）的味性质则不一定是无味的．海夸克是强子中数目不定的夸克和反夸克，任何时刻其总合为“无色无味”的．海夸克的数目稳定是统计平衡的结果．
(5)介子是由一对价夸克和价反夸克组成的强子（如图5－5(a)所示），重子是由三个价夸克所组成的强子（如图5－4所示）．事实上，胶子也能起到价粒子的作用，称为“价胶子”，胶球就是由两个、三个或多个价胶子所组成的（如图5－6所示）．四夸克态是由两个价夸克和两个价反夸克组成的强子（如图5－5(b)所示）．混杂子是由一对价夸克和价反夸克以及一个价胶子所组成的强子（如图5－7所示）
(6)尽管强子是由夸克和胶子组成，但是迄今为止，实验并没有直接观察到自由的（即单独存在的)夸克或胶子．这是因为色相互作用具有“禁闭”的性质，即带色的粒子之间的色相互作用并不随距离增加而迅速减弱并从而使粒子最终互相独立而处于自由状态．换言之，只有由夸克和胶子组成的无色系统才可以自由地单独存在，带色的夸克和胶子只能存在于这个系统的内部．色相互作用的这种禁闭性质最先是根据实验结果的启发而提出的理论假设，随后理论上作了很多试探去证明，但是至今在理论上并没有最后严格地证明．尽管如此，在现今对强子结构的研究中，色禁闭仍然是被普遍接受的基本假定．
虽然夸克和胶子被禁闭在强子的内部，但是在高能的物理过程中，被禁闭的这些夸克和胶子在强子内部又近似地可以看作无相互作用．色相互作用的这个性质称为“渐进自由”，它可以从理论上导出，它的许多推论已经得到实验的验证．
图5-7 混杂子
图5-8 质子结构示意图
对高能实验结果的分析得出，高能质子内部胶子和价夸克所带的动量分别约占质子动量的一半，海夸克所带的动量只约占质子动量的百分之五左右．这个结果也表明，如果认为质子只是由价夸克所组成，这种看法是过于简单了．
如上面的质子结构的示意图所示，质子有3个价夸克U，U，D，我们用大写的符号代表；用小写的符号u，d，s，c，b，…，代表海夸克；用夸克符号上面加一小横代表相应的反夸克；用g代表胶子．这些粒子在质子内部的分布是分散的，色禁闭的性质使它们局限在一定的边界之内．价夸克的种类和个数确定，即只是图中的U，U，D．海夸克的个数不确定，但由于总起来要满足“无色无味”的要求，平均来说，三种色的海夸克（和海反夸克）数目相等，各种味的海夸克（和海反夸克）数目相等．
§16粲夸克、底夸克和顶夸克
1974年美籍华裔物理学家丁肇中和美国物理学家里希特(Burton Richter)互相独立地发现了第四味夸克，称为“粲夸克”，用符号c代表，它是通过发现J/粒子实现的．J/粒子是粲夸克和反粲夸克所组成的，质量是质子的3倍多，平均寿命比其他质量相近的重介子要长1000倍左右．1977年美国物理学家莱德曼(LeonMaxLedermann)发现了第五味夸克，称为“底夸克”，用符号b代表，它是通过发现Υ粒子实现的．Υ粒子是底夸克和反底夸克所组成的，质量是质子的10倍多，平均寿命比J／粒子还长．理论上预言还应存在第六味夸克，称为“顶夸克”，用符号t代表，实验上从1977年以来一直在寻找顶夸克，直到1995年终于在实验中发现了顶夸克．
狭义相对论给出粒子具有的能量等于粒子的质量乘真空光速的平方，因此粒子静止质量的大小可以用相应的静止能量来表示．上夸克的值为5.6MeV，下夸克的值为10MeV，奇异夸克的值为200MeV，它们统称为轻夸克．粲夸克的值为1350MeV，即1.35GeV，底夸克的值为5000MeV，即5.0GeV，统称为重夸克．过去理论上对还未发现的顶夸克的相互作用性质和运动行为给出了详细的预言，但对于它的质量则完全没有预言．1977年发现底夸克后，人们从已发现的各夸克质量变化的趋势，曾猜测顶夸克的质量可能是底夸克质量的3倍左右，即15000MeV附近，但在这质量附近并没有找到顶夸克．从1977年以后的十几年间，先后在德国汉堡的正负电子对撞机PETRA、美国斯坦福的正负电子对撞机PEP、日本的正负电子对撞机TRISTAN、瑞士日内瓦的质子对撞机SPS、美国斯坦福的正负电子对撞机SLC、瑞士日内瓦的正负电子对撞机LEP上都进行了大量的工作来探寻顶夸克，但都一直没有找到．每一次否定的实验结果都给出顶夸克质量的一个下限．随着实验的不断进展，顶夸克质量的下限不断提高．后来综合各方面的实验结果、结合理论分析，已经能够推测出如果顶夸克确实存在，其质量应该为
m=(169±27)GeV.
直到1995年3月，美国的费米实验室才正式宣布发现了顶夸克．顶夸克的质量为
m=(180±12)GeV．
至此全部六种夸克都已经被发现了．
顶夸克是粒子世界中现在已经发现的最重的一个组元，它的质量远比现在已经发现的其他粒子重得多，就是和原子世界中的原子来比，也是相当重的．如果用原子量来表示顶夸克的质量，顶夸克的“原子量”为193．24．作为对比，铱的原子量是192.22，铂的原子量是195.08，金的原子量是196.96654，顶夸克的原子量和它们接近．然而顶夸克具有的重子数只是1／3，铱的重子数是192，铂的重子数是195，金的重子数是197，在重子数的值上的差别就显现出来它们分属于物质结构的不同层次．
§17标准模型及粒子的分类
60年代以来，人们关于粒子世界物质结构和运动的基本规律的认识有了重大的突破，形成了粒子物理的标准模型．
标准模型认为，微观物质的基本相互作用有3种，即色相互作用、电弱相互作用和引力相互作用．
色相互作用是一种规范相互作用，具有很高的对称性，它的实验表现为粒子间的强相互作用．色相互作用的媒介粒子是胶子，有8种，都没有静止质量．
电弱相互作用也是规范相互作用，具有比较高的对称性质，电弱相互作用的媒介粒子有4种，都没有质量．但是在能量低于250GeV的范围，这种对称性自发地破缺了，统一的电弱相互作用分解成为性质极不相同的电磁相互作用和弱相互作用．电磁相互作用的媒介粒子，光子仍然没有静止质量，然而弱相互作用的3种媒介粒子都获得了很大的质量．
引力相互作用，普遍存在于所有物质粒子之间，它的媒介粒子没有静止质量．
在已发现的452种粒子中，规范玻色子和轻子还没有被观察到有内部结构，还可以被看作是“点”粒子．强子是由夸克、反夸克和胶子所组成的复合粒子，强子和规范玻色子以及轻子不属于同一层次．现在还没有观察到夸克和胶子有内部结构，它们也还可以被看作是“点”粒子，是属于和规范玻色子以及轻子同一层次的粒子．如果把质子放大到一个足球场那样大，组成质子的夸克和胶子就都比足球还要小．由此可见，强子内部的结构也是很稀松的，物质粒子所占的空间也只是强子所占空间的很小的一部分．
在现有对粒子物理世界的认识的基础上，可以对现在认识的“点”粒子进行分类，即按标准模型对粒子进行分类．在标准模型中，粒子可以分成3大类：
(1)规范玻色子：3种基本相互作用的媒介粒子，共13种，性质如下表．
实验上没有观察到自由状态下的胶子，但胶子在粒子相互作用过程中的存在已经有充分的实验验证．由于引力相互作用太弱，实验上直接观察放出或吸收引力子非常困难，现在还没有引力子存在的直接实验证据．许多年来，天体物理学家做了许多观测来探究是否有远方星体运动所发出的引力波存在，不过迄今为止还没有得到肯定的结果．
(2)费米子：自旋量子数为J=l／2的粒子，包括轻子和夸克．
按照电弱统一理论，自然界的费米子必须是成组地存在的，每一组费米子的电荷之和等于零．一组费米子称为一“代”费米子，其中包括一个中微子，一个带电轻子，两味夸克．其中一个夸克带2／3单位电荷，一个夸克带—1／3单位电荷．轻子不带色荷，不直接参与色相互作用，夸克带色荷，可以直接参与色相互作用，每味夸克有3种色荷状态．考虑到夸克有3种色荷状态，一代费米子的电荷之和确实为零．现在已知自然界至少存在3代费米子，它们的性质如下表．
这样，由于每种夸克有3种色状态，每一代费米子包含有8种粒子，3代共有24种费米子，再加上它们的反粒子，共有48种费米子．
(3)希格斯(Higgs)粒子：自旋量子数为零的粒子．
按照电弱统一理论，电磁相互作用和弱相互作用本来是某种统一的电弱相互作用，具有比较高的对称性质，电弱相互作用的4种媒介粒子都没有质量，所有的费米子也都没有质量．但是在能量较低的范围，这种对称性自发地破缺了，统一的电弱相互作用分解成为性质极不相同的电磁相互作用和弱相互作用．同时除了中微子外，所有的费米子都获得了质量．电弱相互作用的对称性自发破缺的实现要求自然界存在一种自旋量子数为零的特殊的粒子，称为希格斯粒子．在实现电弱相互作用的对称性自发破缺后，自然界至少应有一种中性的希格斯粒子存在．理论对于这个中性希格斯粒子的所有的相互作用性质和运动行为都有精确的描绘和预言，但对它的质量却完全没有给出任何预言．现在实验上还没有发现这种希格斯粒子，从已有的实验结果来看，希格斯粒子的质量应大于58.4GeV．从实验上去寻找希格斯粒子是当前粒子物理实验研究的中心课题之一．
按照现在对粒子世界结构规律的认识，按照标准模型，粒子世界是由62种粒子构成，其中有60种的存在已被实验所证实了，还有2种现在实验上还没有观察到其存在的证据．
§18相互作用的统一理论
微观粒子之间存在着四种相互作用，这四种相互作用之间存在什么联系，它们是否可以从更深刻的角度统一起来，一直是粒子物理学家关心的问题．爱因斯坦在建立广义相对论后，花了很长的时间致力于统一场论的研究，他希望能建立一个把电磁相互作用和引力相互作用统一起来的理论．然而，他的这个研究并没有能取得成功，归根结底，是因为物理学的发展在当时条件下还不成熟．当时人们对电磁相互作用和引力相互作用的宏观规律已经认识得相当清楚，但是对于弱相互作用和强相互作用这两种只在微观范围内才明显显现出来的短程相互作用的规律还认识得很少．因此，在当时的条件下，爱因斯坦只能在电磁相互作用和引力相互作用的基础上探索相互作用的统一理论．粒子物理学30多年来的发展表明，首先成功地统一起来的是弱相互作用和电磁相互作用．
尽管弱相互作用和电磁相互作用的行为有巨大的差异，物理学家们对它们的相互作用机理进行深入的探索，找到了它们之间的联系，这推动着物理学家去探索建立弱相互作用与电磁相互作用统一理论的可能性．1961年，美国物理学家格拉肖(Sheldon Lee Glashow)首先提出电弱统一的模型．1967年和1968年美国物理学家温伯格(StevenWeinberg)和巴基斯坦物理学家萨拉姆(Abdus Salam)在这理论基础上独立地把这个模型发展完善．格拉肖、温伯格和萨拉姆提出的电弱统一理论认为：弱相互作用和电磁相互作用本来属于具有同一种对称性的统一的相互作用，这种相互作用通过传递四种体现这种对称性的粒子来实现．在能量较低的范围，这种对称性自发地破缺了，统一的电弱相互作用分解成为现在所观察到的电磁相互作用和弱相互作用．后来，经过多年的研究证明，电弱统一理论取得了极大的成功．
电弱统一理论的成功促进了大统一理论的探索研究．大统一理论是指把强相互作用和电、弱相互作用统一起来的理论．70年代以来国际上提出了许多种大统一理论，各有不同的特点．但是迄今为止，并没有任何一个大统一理论得到了实验的判定性的检验.
近十多年来粒子物理理论的另一个重要的探索方向是关于超对称理论的研究．超对称性是一种把自旋为半整数的粒子（费米子）与自旋为整数的粒子（玻色子）联系起来的对称性．超对称理论的一个探索方向是建立超对称大统一理论，即在超对称性基础上的大统一理论．超对称理论的另一个探索方向是建立超引力理论即在超对称性基础上把四种相互作用都统一起来的理论．近年来，在超对称大统一理论方面，亚夸克层次的大统一模型方面，超引力理论方面以及关于超对称理论基础的研究方面都进行了不少工作，但是总起来说还处于探索研究阶段，还没有一种模型得到判定性的检验．由于在大统一理论范围内，各种可能的模型都已被试探研究过，可以作的理论探索都已比较充分地进行过，因此，理论探索的注意力已从大统一理论转移到超对称理论方面来．这个转移过程从1980年就已明显地表现出来，到1982年这个转移过程就已经比较完全了，这是近年来理论发展的一个重要动向．
70年代末到80年代初，粒子物理理论的研究中曾有许多探索夸克和轻子的内部结构的工作，提出了许多可能的“亚夸克”模型，并有许多理论物理学家对这类模型在实验上和理论上所受的限制进行了普遍的讨论．这是一个十分吸引人的方向，曾一度表现得相当活跃，特别是在探索亚夸克层次建立大统一模型方面．但是，进一步的发展遇到了困难，困难的来源之一是，迄今为止没有任何实验迹象显示出夸克有内部结构，从实验上还没有能得到任何有关夸克内部结构的信息可以作为建立理论的启示和线索，这一点和60年代研究强子结构时所遇到的情况完全不同．
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