基本粒子的分类。科学发现的历史和本质

基本粒子的分类。科学发现的历史和本质

最重要的科学发现

“到目前为止，已经发现了多少基本粒子？”雷格在他的物理学书中问道。“从描述它们性质的简短参考书的厚度以及物理学家之间流通的参考书的厚度来看，有几百个。这些粒子中有许多是收集起来的。”在类似于核子或介子家族的家族中。这些家族所起的作用类似于门捷列夫的周期系统，在化学中非常有用。但正是这种相似性表明我们正在从事类似于原子的物体的分类，而且根本不是基本的。一种或另一种方式，但对物质真正基本成分的搜索已经重新开始，到 1963 年，很明显应该将粒子分组到更大的族中。

古希腊哲学家将异常规则和对称的形式归因于原子。尽管真正的原子与此相去甚远，但对称概念应该在物理学中发挥重要作用的想法仍然存在。按科对粒子进行分类，恰恰反映了自然界中某种对称性的存在……”

五十年代基本粒子物理学处于形成阶段。这一物理学分支的实验研究的主要手段是加速器，它把一束粒子“射”到静止的目标上：当入射粒子与目标碰撞时，就会产生新的粒子。在加速器的帮助下，除了已知的质子、中子和电子之外，实验者还设法获得了几种新型基本粒子。理论物理学家试图找到一些可以对所有新粒子进行分类的方案。

科学家们发现了具有不寻常（奇怪）行为的粒子。由于某些碰撞而产生的这些粒子的出生率表明它们的行为是由强相互作用决定的，强相互作用以速度为特征。强、弱、电磁和引力相互作用构成了构成所有现象的四种基本相互作用。与此同时，奇怪的粒子衰变的时间异常长，如果它们的行为是由强相互作用决定的，这是不可能的。奇怪粒子的衰变率似乎表明这个过程是由更弱的相互作用决定的。

解决这个最艰巨的任务，并把注意力集中在盖尔曼.

Murray Gell-Mann 于 15 年 1929 月 1948 日出生于纽约，是来自奥地利的 Arthur 和 Pauline (Reichstein) Gell-Mann 移民的最小儿子。十五岁时，默里进入耶鲁大学。 1951年毕业，获理学学士学位。随后几年，他在麻省理工学院攻读研究生。 XNUMX 年，盖尔曼在这里获得了物理学博士学位。在普林斯顿基础研究所（新泽西州）呆了一年后，盖尔曼开始在芝加哥大学与恩里科费米，首先担任讲师（1952-1953），然后担任助理教授（1953-1954）和副教授（1954-1955）。 1955 年，盖尔曼成为加州理工学院的副教授。

他选择了称为电荷独立性的概念作为他构建的起点。它的本质在于某一组粒子，强调它们的相似性。例如，尽管质子和中子的电荷不同（质子的电荷为 + 1，中子的电荷为 - 0），但在所有其他方面它们都是相同的。因此，它们可以被认为是同一类型粒子的两种变体，称为核子，平均电荷或电荷中心等于 1/2。习惯上说质子和中子形成双峰。其他粒子也可以包含在类似的双峰或称为三重态的三个粒子组中，或包含在仅由一个粒子组成的“组”中，称为单峰。由任意数量的粒子组成的群的总称是多重态。

所有以类似方式对奇怪粒子进行分组的尝试都失败了。 Gell-Mann 为他们的分组制定了他的计划，发现他们的多重态的平均电荷与核子的平均电荷不同。他得出的结论是，这种差异可能是奇异粒子的基本属性，并提议引入一种新的量子属性，称为奇异性。由于代数的原因，粒子的奇异性等于平均多重电荷与平均核子电荷之差的两倍 + 1/2。 Gell-Mann 表明，在所有涉及强力的反应中，奇异性都是守恒的。换言之，强相互作用前所有粒子的总奇异性必须绝对等于相互作用后所有粒子的总奇异性。

奇异守恒解释了为什么这些粒子的衰变不能由强相互作用决定。当其他一些非奇异粒子发生碰撞时，奇异粒子会成对产生。在这种情况下，一个粒子的奇异性补偿了另一个粒子的奇异性。例如，如果一对粒子中的一个粒子的奇异度为 +1，那么另一个粒子的奇异度为 -1。这就是为什么非奇异粒子在碰撞之前和之后的总奇异度都等于0。在诞生之后，奇异粒子飞散了。如果一个孤立的奇异粒子的衰变产物必须是零奇异性的粒子，那么它就不能因为强相互作用而衰变，因为这样的衰变会违反奇异性守恒。 Gell-Mann 表明电磁力（其特征时间介于强相互作用和弱相互作用的时间之间）也保持着奇异性。因此，奇怪的粒子，已经诞生，直到衰变，由弱相互作用决定，它不会保持奇异性。这位科学家于 1953 年发表了他的想法。

1961 年，Gell-Mann 发现他提出的用于描述奇怪粒子的多重谱系可以包含在一个更一般的理论体系中，这使他能够将所有强相互作用的粒子归为“族”。这位科学家称他的计划为八正道（类比佛教中义命的八种属性），因为一些粒子被分组到每个有八个成员的家庭中。他提出的粒子分类方案也被称为八进制对称。很快，以色列物理学家 Yuval Neeman 提出了与 Gell-Man 无关的类似粒子分类。

这位美国科学家的八重路径经常被比作门捷列夫的化学元素周期表，其中具有相似性质的化学元素被归为一组。就像门捷列夫在元素周期表中留下一些空白单元格，预测未知元素的属性一样，盖尔曼在一些粒子族中留下了空白位置，建议哪些具有正确属性集的粒子应该填充“空隙”。在发现其中一种粒子之后，他的理论在 1964 年得到了部分证实。

1963 年，当麻省理工学院客座教授时，Gell-Mann 发现八重路径的详细结构可以通过假设参与强相互作用的每个粒子由带有分数电荷的三重粒子组成质子的电荷。

在欧洲核研究中心工作的美国物理学家乔治茨威格也做出了同样的发现。 Gell-Mann 将分数带电粒子称为夸克，借用了詹姆斯乔伊斯的 Finnegans Wake 中的这个词（“马克先生的三个夸克！”）。夸克可以有 +2/3 或 -1/3 的电荷。还有一些反夸克，其电荷为 -2/3 或 +1/3。一个不带电荷的中子由一个电荷为 +2/3 的夸克和两个电荷为 -1/3 的夸克组成一个电荷为 +1 的质子由两个电荷为 +2/3 的夸克和一个电荷组成电荷为 -1 /3 的夸克。具有相同电荷的夸克在其他性质上可能不同，这意味着具有相同电荷的夸克有多种类型。因此，夸克的各种组合使得描述所有强相互作用的粒子成为可能。

盖尔曼因“与基本粒子的分类及其相互作用有关的发现”而于 1969 年获得诺贝尔物理学奖。瑞典皇家科学院的 Ivar Waller 在颁奖典礼上发表讲话时指出，盖尔曼“十多年来一直被认为是基本粒子理论领域的领先科学家”。根据沃勒的说法，他提出的方法“是进一步研究基本粒子物理学的最有力手段之一”。

作者：萨明 D.K.

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