π介子的发现

π介子的发现

从事宇宙射线研究的研究人员，诸如C.D.安德森（正电子的发现者）及其合作者S.H.尼德尔迈耶（他后来有了一些重要的发明，曾用在第一颗原子弹中），M.L.史蒂文森（M.L.Stevenson），J.C.斯特里特（J.C.Street），R.B.布罗德（R.B.Brode）等人，直到1937年才开始在宇宙射线中发现一些粒子，这些粒子的质量介于电子质量和质子质量之间，对这些粒子作最精确的测量发现它们的质量约为电子质量的200倍。这些粒子叫做μ介子。它们不稳定，自由μ介子衰变的平均寿命约为2微秒。开始时，是根据在地平线上的不同高度和不同角度观察宇宙射线的强度巧妙地推断出平均寿命的，后来F.拉赛蒂直接测出了平均寿命。但是，进行宇宙射线实验的人员在开始观察时，并不知道汤川的工作。战争使这项实验工作延缓了，并且使日本和西方隔绝开来。日本物理学家对存在着质量和汤川假定的粒子的质量相近的粒子很感兴趣，然而他们也注意到，要把μ介子和汤川粒子等同起来仍然有些困难：首先μ介子的平均寿命太长了；其次，μ介子在物质中受阻止时，它们与阻止物质的原子核发生相互作用显得很平常，虽然并不总是这样。三个年轻的意大利物理学家：M.康弗西（M.Conversi），E.潘锡尼（E.Pancini）和O.皮西奥尼克（O.Piccionic），通过研究这个现象，有了一个重要的实验发现。

这三个年轻人那时正在躲避德国人，因为德国人要把他们流放到德国去进行强制劳动。他们三个人躲在罗马的一个地下室中秘密地工作，他们发现，正μ介子和负μ介子在物质中受阻止时的行为不一样。正μ介子的衰变或多或少象在真空中一样，而负μ介子如果被重核所阻止，则被其俘获并产生蜕变但当它们被象碳这样的轻核所俘获时，则它们的衰变大部份就象在真空中一样。这不是汤川粒子所应具有的特性，因为一旦介子距离原子核足够近时，特定的核力就应当产生蜕变，所以汤川粒子应当与轻的或重的原子核都发生剧烈的反应。实验证明情况并非如此，因此μ介子不大会是汤川粒子。

情况确实非常奇怪。汤川已经预言存在着质量约等于300个电子质量的粒子，有人也已找到了它们，但这种粒子却又不是汤川所预言的那种粒子。理论物理学家对康弗西、潘锡尼和皮西奥尼克的结果感到迷惑不解，而这些结果从实验观点来看，却又非常可靠。理论家们决心找出答案。日本的谷川、坂田和井上及美国的H.A.贝特和R.马沙克（R.Marshak），各自独立地提出了一个可以解决已存在的困难的假设。他们提出，观察到的μ介子是汤川介子的衰变产物，而尚没有人观察到汤川介子。作出吸引人的、看起来是合理的假设是一回事，而要确证一个事实又是另一回事了。

这时，一个新的实验技术，或者应当说一个老的实验的改进，为解决这个难题提供了一个有力的工具。早在第一次世界大战前，卢瑟福实验室的一位日本物理学家树下就已证明，通过照相乳胶的α粒子在它们的运动轨迹上留下了一组可显影的乳胶颗粒，所以人们能够看到粒子的轨迹。（我们可能会问：量子力学怎么办？测不准原理呢？粒子的波动性呢？读者可以放心，这些问题都有令人满意的解答，例如海森堡就曾作过详细的解释。）树下用的乳胶仅对电离作用较大的粒子才灵敏，电子是探测不到的。

布里斯托尔的塞西尔·鲍威尔（Cecil Powell）教授（1903～1969），曾是卢瑟福和C.T.R.威尔逊的学生，虽然主要从事气体放电的研究，但对粒子探测方法却一直很感兴趣。在粒子物理学的下一个飞跃中，他将起决定性的作用（图12.2）。这里是他对导致发现π介子的一些事件的描述：

1945年，G.P.S.奥基亚利尼在战争结束前从巴西回到了英国，在布里斯托尔参与了鲍威尔的工作。奥基亚利尼对照相方法的潜力很有信心，并和伊尔福特有限公司（ILFORD Ltd.）进行了联系，希望能改进底片的记录性质。虽然已经证明了可以得到可靠的测量范围，但是，仅当径迹中的显影颗粒数足够多时，才能分辨这些径迹，而这又取决于粒子在其单位长路径上从原子中击出的离子的数目，这个数目在粒子速度愈大时变得愈小。事实上，按照当时的情况，仅当粒子速度相当低时，才能探测到它们。但是，宇宙射线中最多的是速度接近光速的粒子，这些粒子大部份都不能记录下来。

当时有许多看起来可以改进乳胶记录性质的办法，比如通过增加单个颗粒的大小和灵敏度，或是增加单位体积的乳胶中的颗粒数，均可改进其记录性质。C.沃勒（C.Waller）当时是伊尔福特公司从事研究工作的化学家，伊尔福特的生产方法使他发现，在制造乳胶时，可以大量增加溴化银的浓度。很显然，用这种新乳胶进行辐照和显影时，其性能已有了极大的改善。

1946年末，奥基亚利尼拿了一些小的涂有新的乳胶的底片——共约2打，每张面积为2厘米×1厘米，乳胶厚度约为50微米，把它们拿到比利牛斯山脉中高度为3000米的南高峰上的一个法国观察所去受辐照。当把这些底片收回并在布里斯托尔显影时，眼前立即展现了一幅全新的图景。慢质子的痕迹中填满了显影颗粒，看起来简直象根银棒。在显微镜下，微小体积的乳胶中看来象是充满了蜕变现象，这些蜕变是由快速宇宙射线粒子产生的，这些粒子的能量比当时人工所能产生的能量要高得多。这好象是突然走进了一个用高墙围起来的果园里，那里被保护起来的果树生长茂盛，硕果累累，各种各样成熟了的珍奇水果尚未采摘。

由于这些新的观察的成功，造成了一种对实验室工作充满热情和期待的气氛。人们对已受辐照的新的乳胶这一很小领域开始了紧张的探索，并且想了一些办法，以便得到更多的实验资料。当时，在研究这些新底片时，使用了好几架显微镜，并请了许多姑娘作观察人员，开始了一场紧张的探索。几乎每天都有新的、激动人心的事情发生。开始时，在观察人员进行探索时，若发现任何“事件”，都要叫物理学家来仔细观察一下，看看是否具有明显的特点。彼得·福勒（Peter Fowler，卢瑟福的孙子）当时正在读大学最后一年，探索工作刚开始时，人们就让他看一个事件，这个事件与一次简单的蜕变有关，看起来好象有个粒子，根据其径迹判断，这个粒子的质量约为200me，在其射程末端处发生蜕变。对观察到的这些径迹只可能有两种解释：或者是这个粒子在一点上静止下来，由于偶然的机会，这一点恰好与一个完全独立的蜕变点重合；或者是这些径迹是彼此相关的，这样的话，事件发生的次序就很清楚了——质量较小的粒子，即介子（meson）随着运动能量变成几乎为零或就等于零它几乎处于或处于“静止”状态，这时它必定已经达到了射程末端，并且产生一次核蜕变。(https://www.daowen.com)

伦敦帝国学院的D.帕金斯（D.Perkins）也在用这些新乳胶独立地进行类似的实验。在这之前几天，他发现了一个具有非常类似特性的“事件”。观察到两个这种性质类似的“事件”这一事实，看来完全排除了无关的径迹偶然发生并合的可能性，因而可以肯定，观察到的现象，是乳胶中的一个原子核俘获了一个负介子并产生蜕变的结果。

观察人员很快就学会了如何识别介子的径迹，并且发现了介子在其射程末端产生的许多类似的蜕变的例子。事实上，工作人员对此工作是否有浓厚的兴趣，对工作进展来说是个关键因素。因此，花了不少精力来帮助他们学会怎样解释他们发现的事件，使他们懂得他们正在进行的工作的重要意义。

这样，鲍威尔-奥基亚利尼小组就发现了使原子核发生分裂的介子，这正是汤川假设所要求的。对这些径迹进行研究后，他们得出结论说，介子的质量约为139MeV/c2。但是，其它一些径迹表明，有时介子会衰变成一个质量约为106MeV/c2的粒子和一个质量非常接近于零的中性粒子，估计就是中微子。

106MeV/c2的粒子衰变成一个电子和不止一个（假定为2个）中微子。很容易证明，106MeV的粒子就是μ介子，而新的139 MeV/c2粒子在停止时，不是自由衰变，而是产生激烈的核蜕变，证明它是汤川所假设的那种介子（meson）。今天，μ介子叫做μ子（muons），汤川型粒子叫做π介子（mesons或pions）（图12.3）。以后我们就采用这个术语。

为了清楚起见，我用符号来表示π介子和μ子衰变中有关的反应，用π代表π介子，μ代表μ子。我们考虑一个负的π介子π-，正π介子也可作同样的表示：

正如我们在前面所指出的那样，正负π介子都可能产生激烈的核反应。只要利用显微镜，而不要任何其它设备，或者说得更确切些，只要再用个锡罐在高空使乳胶受辐照，就可从一张照相底片上读出所有这些核反应的信息，这确实是很不简单的事。后来，人们通过增加乳胶的厚度，发明适当的显影方法，在乳胶中另外添加一些非摄影敏感材料，使这门技术发展到了非常完善的地步。这门非常精巧的技术，使我们能测量在乳胶上留下径迹的那些粒子的速度、质量、电荷和其它特性。有一段时间内，这门技术简直垄断了基本粒子的研究。后来随着技术的发展，虽然在某些特殊情况下，有时仍然采用这种技术，但它已逐渐被气泡室和其它技术所取代了。

这些发现，促进了许多采用此同一技术的工作。这种技术很便宜，但它要求有许多观察人员（几乎都是年轻的妇女）愿意整天呆在那里，通过显微镜来寻找径迹，并测量这些径迹。这类工作很适合战后不久的欧洲国家，特别是意大利，它们都经受了巨大的战争创伤并存在着大量的失业问题。所以意大利很快就成为这类研究的中心，这也是意大利对粒子物理学特别重视的原因之一。