一群新的粒子

一群新的粒子

除μ子和π介子外，宇宙射线中还发现了一些新的粒子。1946年，G.D.罗彻斯特（G.D.Rochester）和C.C.巴特勒（C.C.Butler）在曼彻斯特拍了许多云雾室事件的照片，在其中一张照片中，发现了些形状象字母V的径迹（图12.4）。只有承认质量近似为494 MeV/c2的粒子在飞行中衰变成二个π介子时生成这些径迹，才能对此作出解释。在一年多时间内，这类事件只发现一次，但解释是很明确的，以致人们确信存在一种新的粒子，根据其径迹形状，就叫它V粒子。图12.4中，这种V粒子现在叫作K0粒子。

除了π介子和μ子外，照相乳胶还揭示了其它一些新粒子。例如，布里斯托尔小组发现了叫做K-或K+的粒子，这些粒子衰变成三个π介子，两个带正电，一个带负电或是一个带正电荷，两个带负电荷。新的高能加速器进入了基本粒子领域时，又发现了许多新粒子。最初这些加速器达到的能量，大到足够生成π介子，后来又增大到足以生成当时在宇宙射线中已经发现的所有其它粒子及另外一些新粒子。

能量高到足以产生新粒子的第一台机器是184英寸的伯克利回旋加速器（图12.5）。1948年，E.加德纳（E.Gardner）、C.G.拉塔斯（C.G.Latters）（奥基亚利尼的巴西学生，他曾在布里斯托尔参加发现π介子，当时已从布里斯托尔移居到伯克利）和其他一些人用照相乳胶作探测器，分辨出了回旋加速器产生的π介子。稍后一些时候，B.莫耶（B.Moyer）和他的学生再次在伯克利探测到π介子产生的γ射线，它的平均寿命为0.8×10-16秒，而带电π介子的平均寿命为2.6×10-8秒，其原因是因为中性介子是根据电磁相互作用衰变的，而这种衰变方式不适用于带电介子，带电介子必须按照弱得多的费米相互作用发生衰变。中性π介子是用加速器发现的第一个基本粒子，这以前的粒子大多数都在宇宙射线中发现过了。

用回旋加速器产生π介子，就可以形成π介子束，并且有了用宇宙射线源根本不可能实现的实验性能。从此时起，宇宙射线就成了研究地球物理学、宇宙论和其它一些学科的手段，但它们对基本粒子物理学来说，已失去原来的重要地位了，除了极高的能量外，它们再也不能与加速器相媲美了。又过了一段时间后，象同步回旋加速器或电子回旋加速器等其它加速器又成功地把电子加速到了更高的能量，可以直接产生π介子或是先生成光子再生成π介子。

布鲁克海文国立实验室的“高能同步稳相回旋加速器（宇宙加速器）”正式投入运行时，又使能量发生了一次飞跃。这个加速器在1952年超过了1000兆或1千兆电子伏特。1953年，这个加速器产生了罗彻斯特和巴特勒在宇宙射线中看到过的V粒子。这时情况变得复杂起来了。我们已经看到，除了π介子和μ子外，宇宙射线中还有几种比核子要重的粒子。这些粒子按不同方式衰变，但它们的衰变产物中总有中子和质子，这些粒子叫做超子。一些最重要的典型衰变如下：

Λ→p+π-（1116）　Σ+→p+π0（1189）　-→Λ+π-（1321）为了清楚起见，我们在这里使用了现代的记号，括号中的数字是以MeV/c2为单位的质量数。上述衰变还有许多变种，而且粒子还可能处于不同的电荷状态。

除了超子以外，宇宙射线中还含有前面提到的K粒子，它们比π介子重，但比核子轻，可按各种方式衰变，例如：

Λ粒子提出了一个严重的佯谬。V粒子很容易形成，但它衰变很慢。这个事实与一般的量子力学原理相矛盾，因为根据量子力学的要求，易于形成的粒子也应易于衰变。曾有人好几次试图对这个难题加以解释，但真正正确的解释最终还是由A.派伊（A.Pais）和K.西岛各自独立提出的。我们所观察到的Λ粒子的产生和衰变过程，并不是象我们所想象的那样彼此互为逆过程，而是彼此完全不同的过程，因此它们之间并没有必然的联系。Λ的产生是按照方程：

进行的，仅与K介子有关，而Λ的衰变则是按照方程Λ→p+π发生的。Λ的生成总是与K介子的出现有关，但它的衰变却并非如此。Λ的产生取决于强的汤川型相互作用。而Λ的衰变却取决于弱费米相互作用。

1953年，为了解释这个“奇怪的”现象，M.盖曼、中野和西岛分别假定存在一个新的量子数，由于没有适当的词可用来表示这个量子数，他们就把它叫作“奇异数”。人们当时并不知道，奇异数与粒子的其它性质或力学量之间，是否就象角动量和特定的量子数之间存在着联系那样，也存在着某种联系，但是它确实也解决了一些问题。除了上面提到的那个外，它还成功地解释了好几个其它难题。我们给粒子分配一个奇异数0，±1，±2，等等，并假定有关粒子的奇异数之和在强作用下不发生变化，这样，我们就得到一些允许或是禁戒某些反应的选择规则，它们与实验结果是完全符合的。

1954年，在高能同步稳相加速器的能量增加到足以产生有关的粒子时，相应粒子的出现和关于奇异性的唯象学说就得到了清楚的证明。为此，W.B.否勒（W.B.Fowler），R.P.沙特（R.P.Shutt），A.M.桑代克（A.M.Thorndike）和W.L.惠特莫尔（W.L.Whittemore）曾采用过一个可持续灵敏的扩散云雾室。这以后，许多其他物理学家又相继采用了各种技术证明了这一点。

默里·盖曼（Murray Gell-Mann，图12.6）是当代著名的理论物理学家之一。他生于1929年，父亲是位教授。他曾在耶鲁大学学习，二十二岁时在麻省理工学院获得了博士学位。后来，他到了芝加哥，在这里，他就象当代的许多理论家一样，接受了费米的影响。他当时是加州理工学院的教授，但他经常到许多国家去旅行。他与其他一些物理学家同时各自独立地对基本粒子领域中的几个重要发现作出了决定性的贡献：他和中野与西岛同时提出了奇异数的设想；和Y.内曼（Y.Ne'eman）同时提出了八重态的设想；和G.茨威格（G.Zweig）同时提出了关于夸克的物理思想。所以，他的理论界的同事和朋友们都非常担心，怕被他丢到后面去。同时，盖曼用他超人的智力（其他理论家也都具有这种共同特点）学习了好几门语言，甚至学习了斯瓦希里语。他还努力跟上生物学的发展，从事生态学研究，并在许多方面为政府提供咨询。

1951年，一台能够产生介子的同步回旋加速器开始在芝加哥运转。费米为此已等了很长时间了，并曾为加快其进展作出过极大的努力。现在，他终于能再次开展他的工作了。他为这项工作作了非常认真的准备，他的努力终于得到了报偿。就在他去世前不久，他发现了一种新的和出人意料的现象，即正π介子与质子的碰撞截面显出一个非常高的极大值。这种现象显然表明形成了半稳态的复合粒子，有时叫作共振态，或简单地叫作粒子。在费米首先发现这种现象之后，人们又辨认出数百种这类粒子。目前，对这种现象的研究，仍然是个非常活跃的领域。