奇妙的粒子世界（簡體書）

本書以“奇妙的粒子世界" 為題介紹粒子物理學的發展歷程、概貌和前景. 人們對自然界的認識從宏觀日常生活進入肉眼看不到的微觀世界, 自一開始就遇到了很多奇妙的物理現象和科學規律.粒子物理學(或高能物理學) 探索微觀世界中物質結構的最小組成成分及其性質和相互作用規律, 同時在探索宇宙的起源和演化中也起著重要的作用. 因此, 粒子物理學是研究小到物質最深層次結構, 大到宇宙的最前沿科學, 是揭示物質、能量、時間、空間本質的最基本科學.歷史上粒子物理學的發展大致經歷了三個階段. 在第一階段(1897|1937 年) 中, 基本粒子概念形成. 1897 年, 電子被發現, 成為粒子世界的第一個成員. 20 世紀30 年代, 人們逐漸認識到, 物質結構的最小成分是電子、質子、中子和光子等基本粒子, 而量子力學成為原子物理學和原子核子物理學的基本規律. 1937 年, _ 子在宇宙線中被發現, 粒子物理學進入了發展的第二階段, 即基本粒子大發現時期. 1964 年, 以誇克模型為標誌, 粒子物理學發展進入了第三階段. 今天, 人類對物質結構的認識深入到誇克和輕子這一新層次, 粒子物理標準模型成為這一層次的基本規律.電子的發現從科學實驗上打開了進入原子世界的大門,使人們逐步認識到物質結構的基本成分是原子, 原子的核心是原子核, 電子繞原子核運動, 催生了原子物理學. 1932 年,中子被發現, 使人們認識到原子核由質子和中子結合而成, 原子核子物理學得以建立. 1938 年, 核裂變被發現, 這是一種重原子核分裂成兩個中等質量碎片的現象. 由於核力很強, 在一定條件下核裂變可以將多餘的結合能釋放出來. 1942 年,核反應爐建成. 1945 年, 美國首次成功研製出原子彈並轟炸了日本, 顯示了核能的巨大威力. 短短幾年時間, 原子核的潛能和應用前景就得到了充分發掘. 核科學研究在第二次世界大戰後受到各大國的重視, 加速了對物質結構深層次的探索.粒子加速器的發明使得科學家們能在實驗室中獲得高能量的粒子束流. 在1952 年美國布魯克海文(Brookhaven) 國家實驗室建成了第一臺質子同步迴旋加速器之後, 世界上相繼建立了若幹加速器實驗室, 開創了利用加速器研究基本粒子物理的新時代. 至20 世紀60 年代初, 新發現的基本粒子的數目越來越多, 達到了一百多種, 展現的粒子世界的奇妙現象也越來越多.當對物質結構的探索深入到基本成分為誇克和輕子的層次時, 人們發現\色味俱全" 的誇克被禁閉在強子內部, 物理圖像完全不同於原子和原子核結構, 它們所遵從的動力學規律也完全不一樣. 傳遞誇克之間強相互作用以及誇克和輕子之間弱相互作用的媒介粒子也具有很特殊的性質. 20 世紀60|70 年代建立起來的誇克和輕子所遵從的標準模型理論出色地描述了由誇克和輕子演變而產生的各種實驗現象, 經受住了50 餘年的實驗檢驗.至今唯一超出標準模型物理規律的實驗現象是中微子具有微小質量, 且不同代中微子之間具有振盪現象.本書前4 章將簡要地介紹粒子物理學發展的三個階段,之後6 章將深入介紹現階段粒子物理學中的奇妙現象和正在探尋的神秘的疑難科學問題.作者力求科學性、知識性和趣味性並舉, 深入淺出地介紹過去的120 多年間粒子物理學的創生和發展. 特別是, 作者從事粒子物理學研究多年, 不僅深刻瞭解粒子物理學的曆

史, 而且可以把自身經歷的片段穿插在文中, 這也是本書的獨特之處. 希望讀者從本書中增長知識、獲益生趣, 激勵出勇於探索、求真創新的精神.

黃濤、曹俊2020 年12 月

第一章物質最小單元之謎

1.1 原子—— 從哲學概念到科學學說

1.2 人類對物質結構的認識從原子深入到原子核

1.3 基本粒子

第二章基本粒子並不\基本"

2.1 質子和中子靠什麼力結合成極小的原子核?

2.2 基本粒子大發現時期

2.3 基本粒子週期表

第三章微觀世界的兩種神秘的相互作用

3.1 自然界中的四種相互作用

3.2 弱相互作用

3.3 強相互作用

3.4 電磁波和光子

第四章禁閉在強子內部的誇克

4.1 質子、中子等強子是由誇克組成的

4.2 誇克模型

4.3 層子模型

4.4 重誇克的發現

4.5 誇克與輕子的對稱性

第五章色味俱全的誇克

5.1 誇克有3 種不同顏色

5.2 帶色荷誇克之間的相互作用

5.3 帶色荷膠子間的相互作用產生反遮罩效應

第六章傳遞四種相互作用力的媒介子和統一之路

6.1 從誇克層次描述弱相互作用

6.2 傳遞弱相互作用的媒介子

6.3 電磁相互作用和弱相互作用統一

6.4 走向四種力統一之路

第七章自然界為何需要希格斯粒子?

7.1 對稱性和對稱性破缺

7.2 中間玻色子質量來自希格斯機制

7.3 發現希格斯粒子

第八章神秘的幽靈粒子

8.1 預言中微子

8.2 尋找中微子

8.3 找到三種中微子

8.4 中微子是個\左撇子"

8.5 中微子是自己的反粒子嗎?

第九章小幽靈引發大波濤

9.1 中微子質量與中微子振盪

9.2 發現中微子振盪

9.3 太陽中微子失蹤之謎

9.4 大亞灣發現第三種振盪

9.5 確定質量順序與CP 破壞相角

第十章宇宙物質成分疑難

10.1 宇宙大爆炸

10.2 暗物質與暗能量

10.3 宇宙反物質消失之謎

第十一章奇妙中的疑難

後記