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粒子物理以及中微子和正电子的发现

20 世纪 20 年代，电子、质子和中子被认为是组成物质的基本粒子。自 1912 年发现了宇宙射线后，物理学家利用各种粒子探测器从宇宙射线中发现了许多新的粒子。20 世纪 30 年代以后，原子核物理、宇宙线研究和量子力学理论对人们刚刚形成的物质结构观念形成了强烈的冲击。物理学新的分支——粒子物理学由此诞生。

## 中微子和正电子的发现

1914 年，查德威克证明 α 射线和 γ 射线的能量是量子化的，α 粒子和 γ 粒子所带走的能量正好等于衰变前后原子核定态能级的差。然而 β 射线的能量却是连续分布的，衰变产生的电子的能量竟然小于原子核始、末定态的能量差。这个现象令物理学家感到不解。奥地利物理学家泡利（图 15–25）坚信能量守恒定律不可能对 β 衰变失效。

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图 15–25 泡利（W. Pauli，1900—1958）

1930 年，泡利提出，在 β 衰变的过程中，除电子以外，还有一个轻的电中性粒子一起被发射出来。这个中性粒子的穿透力极强，很难被探测到。物理学界将这种还未被实验证实的中性粒子命名为中微子（符号为 νe）。β 衰变过程中，核子之间的相互作用不同于核力，物理学家将这种作用称为**弱相互作用**（weak interaction）。

王淦昌曾提出一种探测中微子的实验方案，有人按此方案进行实验，得到了与王淦昌预期相符的实验结果，间接地证实了中微子的存在。1956 年，中微子 $ν_e$ 的存在终于被实验所证实。1962 年和 2000 年，物理学家又分别发现了另外两种中微子 $ν_μ$ 和 $ν_τ$。

> 想一想：根据能量守恒定律，请分析 β 衰变所释放的电子和中微子的能量关系。
参考答案：根据能量守恒，β 衰变前后的能量也是守恒的。因为原子核能量是确定的，所以电子与反中微子的能量之和也是确定的，但电子的能量和反中微子的能量可以是任意的。

1928 年，英国理论物理学家狄拉克（图 15–26）从理论上预言了正电子的存在。通过理论分析，一对能量为 0.51 MeV 的 γ 粒子可在真空中产生一对正负电子对。反过来，如正电子和电子相遇则会发生湮没，化成一对 γ 粒子。此前，我国物理学家赵忠尧（图 15–27）曾在实验中发现了狄拉克所预言的正负电子对湮没而发出的能量为 0.51 MeV 的辐射。安德森正是受到赵忠尧工作的启发于 1932 年在宇宙线的云室照片上观察到了正电子的径迹（图 15–28）。

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 图 15–28 正电子在云室中的径迹（图中自下而上的弯曲径迹）

反粒子与粒子具有相同的质量、相反的电荷量。20 世纪 50 年代以后，反质子、反中子以及其他反物质粒子相继在实验中被发现。粒子物理学认为，所有粒子都有反粒子，有些粒子（如光子）的反粒子就是它本身。

## 加速器与对撞机
加速器是粒子物理学重要的实验工具。我们在必修第三册中曾学习过回旋加速器的工作原理。除了回旋加速器以外，目前应用于粒子物理研究的还有直线加速器和同步加速器。因为研究粒子物理通常需要利用高能加速器，所以粒子物理学也称为高能物理学。

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 图 15–29 直线加速器原理示意图
 
 如图 15–29 所示，在直线加速器中，电子或离子沿直线路径通过一系列漂移管（图中管状导体），加在漂移管上的电场是交变的。例如，对于电子而言，每当电子到达两个相邻漂移管交界处，电子前方的漂移管总是接在电源正极，电子后方的漂移管总是接在电源的负极。这样，电子在漂移管中做匀速运动，在漂移管间隙处被加速。电子加速的初期，速度逐渐增大。由于电子质量很小，经加速后，其速度很快接近光速。故直线加速器前段的漂移管长度逐渐增大，而后段漂移管的长度基本相同。直线加速器特别适合对电子的加速。对肿瘤进行放疗的 γ 射线，就是利用经直线加速器加速达 10 MeV 的电子轰击金属箔后产生的。

同步加速器的运行机制类似于直线加速器，只是同步加速器将长度相同的漂移管排列在半径一定的圆周上。这样，被加速的带电粒子可以通过沿圆周多次绕行获得更大的能量而无需增加加速器的长度。如图 15–30（a）所示，漂移管中超导磁铁的磁场使带电粒子沿圆周运动，而相邻漂移管间的交变电场使粒子加速。经加速的粒子通过每个漂移管的时间越来越短，同时粒子做圆周运动所需的洛伦兹力越来越大。同步加速器采用同步增大磁场磁感应强度和加速电场变化频率的方法将粒子约束在圆周轨道上继续加速。同步加速器中的带电粒子沿圆周运动会向外辐射电磁波，这种辐射称为同步辐射。欧洲核子研究中心建有半径为 4.3 km 的同步加速器 [ 图 15–30（b）]，可将质子加速至 7 TeV。

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 （a）同步加速器原理示意图
 
 
 
 
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  （b）同步加速器内景
 
 
 
 利用粒子相互撞击的实验所获得的数据可以分析被撞击粒子的结构。根据动量守恒和能量守恒定律，粒子碰撞的有效能量（即能引起粒子反应的能量）只取决于粒子的相对速度。所以，采用粒子对撞的方法效果更为明显而且更加经济。这就是粒子对撞机的设计初衷。近几十年发展起来的高能加速器多数是对撞机，粒子先在同步加速器中加速至一定的能量后被注入对撞机。在对撞机中，两束粒子流反向沿圆周运动，同时进一步被加速，在轨道交叉处相互对撞。
 
 我国的北京正负电子对撞机于 1988 年建成，电子和正电子束的对撞能量为 2×2.8 GeV（图 15–31）。目前世界最大的对撞机是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，其圆形轨道周长达 27 km，位于地下 100 m 处，两束质子在其中对撞的能量可达 2×7 TeV。

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