新疆域
                          FRONTIERS

[美]艾萨克·阿西莫夫  著
上海科技教育出版社 1999.12

扫描，校对：异调


基础科学新疆域(FRONTIERS OF SCIENCE)，朱宝如  译

                         粒子知多少

    构成宇宙及宇宙万物的各种各样的粒子究竟有多少？还有多少留
待我们去发现？对于这些重要问题，物理学家正处于获得一些答案的
门槛上。

    基本粒子（这是指再也不能分解成更为简单结构的那些粒子）共
有三种不同的类别。它们是：⑴轻子；⑵夸克；⑶玻色子。

    最重要的轻子是“电子”，它们随处可见。有一种重电子，被称
为“μ子”；虽然在自然界中难以观察到它的存在，但可以在实验室
中制得。还有一种更重的电子，被称为“τ子”。这三种粒子各有一
种中微子与之相伴，而且三种中微子也各不相同。这样就一共有六种
轻子。

    另外还存在“反物质”，它与普通物质相似，但是具有相反的一
些性质，例如电荷相反。在宇宙中，我们难以观察到反物质的存在，
但是可以在实验室中制得。反物质由六种不同的“反轻子”组成。这
样，一共就有12种轻子和反轻子。

    夸克也有六种变体。其中最重要的是“上夸克”与“下夸克”，
它们最轻。随处可见的质子和中子就是由这些夸克构成的。粒子越重，
就越难形成。最重要的夸克是“顶夸克”，它要比最轻的夸克重8000
倍，至今尚未被发现，但科学家确信它一定存在。对应于每种夸克，
还存在着一种“反夸克”，这样，一共就有12种夸克和反夸克。

    玻色子是可以使轻子与夸克产生相互作用的粒子。这种相互作用
共有四类：引力相互作用，与之相关的有一种玻色子；电磁相互作用，
与之相关的有一种玻色子；弱相互作用，与之相关的有三种玻色子；
强相互作用，与之相关的有八种玻色子。这样就一共有13种玻色子。

    轻子、反轻子、夸克、反夸克以及玻色子，一共使基本粒子达到
了37种。

    是否总共就有这么多呢？

    弱相互作用玻色子中质量最重的，是一种被称做“Z°粒子”的粒
子。它的质量是最重的夸克的两倍，直到1984年，才首次被生成并被
观察到。负责这一研究工作的是意大利物理学家卡洛·鲁比亚（Carlo 
Rubbia），他因此而荣获诺贝尔奖。

    用巨大的力量迫使两种普通粒子结合在一起，便可生成一种特别
重的粒子。粒子相互撞击可以生成由其他粒子构成的粒子束。撞击的
能量可以转化为质量，因而所生成的粒子质量可以大大超过碰撞前的
粒子的质量。

    现在，卡洛·鲁比亚正在瑞士日内瓦近郊工作，他所用的实验设
备便是“大正负电子”对撞机，通常称作比LEP。在这一对撞机中，一
束电子朝着一个方向，沿一个圆圈作高速旋转，另一束正电子（与电
子相对的反粒子）沿着同一个圆圈朝着相反方向作高速旋转。它们迎
头相撞，这样便生成了另外一些粒子。如果相撞的能量合适，便可生
成Z°粒子。

    LEP的建造始于1981年。正、负电子产生后，穿过长达17英里的圆
形管道。管道保持真空状态，因而不会碰到空气分子。1989年7月，
LEP最终开始投入运行，在四个星期内，便生成了第一个Z°粒子。

    LEP并不是第一台可以生成Z°粒子的设备。在美国，已经有两台
不同的设备用于生成Z°粒子。然而，LEP能够精确地调节所产生的能
量，从而刚好适宜于Z°粒子的生成。这就意味着，当它果真如此运转
下去的话，便可以成批量地生成Z°粒子。可以预期，到1989年年底，
LEP将可以生成大约10万个Z°粒子。

    有了这么多个粒子，就能知道每个粒子有多重，其精确程度远比
现在要高。另外，也能知道Z°粒子在衰变以前，能维持多长寿命。到
目前为止，我们所知的Z°粒子的寿命大约是千万亿分之一秒。然而，
科学家需要一个更为精确的数据。

    如果我们能够相当准确地知道Z°粒子的一些性质，科学家相信就
能推算出究竟可能存在多少种轻子和夸克。他们很希望答案是只有12
种轻子和12种夸克，而除了顶夸克以外，这些粒子都已被发现。

    然而，情况即便如此，仍然还有这样的可能性，即还有一些既非
轻子、夸克，亦非玻色子的粒子，它们属于另外的类型。宇宙可能远
比我们迄今所知的要复杂。