高能对撞物理

**章导论 1.1相互作用和基本粒子 粒子物理学，或称为高能物理学，是探索物质的基本结构和相互作用的*前沿性科学。20世纪初，卢瑟福(Ernest Rutherford)、盖革(Hans Wilhelm Geiger)和马斯登(Ernest Marsden)于1909～1911年间在α粒子与靶原子的散射实验中观测到大角度散射现象[1，2]，在物理学史上首次显示了核物理中散射技术的作用。卢瑟福根据散射粒子的角分布推知原子的中心有一个体积很小且质量很大的核(1911年)，盖革和马斯登(1913年)通过实验又进一步验证了他的散射公式，确认原子内有一个半径小于30fm的带正电的核。在1932年查德威克(J.Chadwick)发现中子之后，海森伯(Werner Heisenberg)提出了原子核是由质子和中子构成的模型，于是那时就认为自然界中存在三种基本粒子：质子、中子、电子。原子由原子核和绕核运转的电子组成，自然界万物就是由这三种基本粒子构成的。几十年后，20GeV高能电子的散射实验揭示了中子和质子本身含有较小的硬组分——后来被称为夸克。高能物理为我们开辟了更深入地了解物质结构的道路。 由量子力学的观点，在粒子散射实验中空间尺度的分辨率是由粒子间相对运动的波长λ=2π/k所限制的。k是它们在质心系相对运动的波矢，它与动量成正比(p=ˉhk)。为了探索小尺度的结构就要求更大的k，即要求粒子在质心系中具有更高的能量。 另外新粒子的产生也要求高能量。由爱因斯坦的质能关系E=mc2可知，质量为m的重粒子只有在质心系中的能量足够大时才能产生。在20世纪50年代，当美国Berkeley实验室建造束流能量为6GeV的质子同步加速器Bevatron时，它的一个主要目标是发现反质子ˉp；这是狄拉克预言的反粒子，先前的加速器都还不能提供足够的能量在实验室产生这种粒子。到20世纪60年代初，从加速器实验中发现了100多种基本粒子，物质结构的研究也早已从先前的原子层次深入到夸克和轻子这一新层次。 对撞机在粒子物理的发展中起了关键性的作用，由正负电子对撞机、质子反质子对撞机、电子质子对撞机，直到现在的质子质子对撞机。和固定靶实验相比，同样的束流能量下对撞机能提供更高的质心系能量，观测粒子更深层的内部结构和作用机制，被应用于粒子物理和核物理实验。强子对撞机得益于它的高能量，在新物理的发现上有巨大的贡献。西欧核子研究中心(CERN)的质子反质子(pˉp)对撞机SPS(315×315GeV)上发现了Glashow、Salam和Weinberg的电弱理论所预言的W和Z粒子，费米实验室的Tevatron发现了顶(top)夸克，近几年CERN的质子质子(pp)大型强子对撞机(LHC)更因发现了希格斯粒子而名声大噪，人们也期待在LHC上能揭示出超出于标准模型的新物理。**代正负电子(e+e-)对撞机是意大利佛拉斯卡帝(Frascati)的ADONE、美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)的SPEAR及德国汉堡电子同步加速器研究所(DESY)的DORIS和PETRA。在SPEAR(SLAC)和PETRA(DESY)上发现了粲素粒子和τ轻子，显示了正负电子对撞机在精细测量电弱相互作用物理方面不可限量的能力。1989年后在CERN建成的大型正负电子对撞机(LEP)及斯坦福直线对撞机(SLC)上，更是对Z和W物理及希格斯物理等进行了多方面的细致测量和研究，对电弱相互作用中性弱流的检验精确到量子圈图的水平。和强子对撞机相比，正负电子对撞机由于是类点粒子的散射，理论上可以精确计算，尤其适用于高精度的测量。它的制约点是由于同步辐射很大，束流很难加速到更高的能量。在宇宙射线的相互作用中会自然地发生很高能量的碰撞，按照大爆炸理论，在宇宙形成的早期也会有这种情形。这些都能为我们提供有用的信息，但很难像在加速器实验中那样利用它们进行系统的实验。 电磁相互作用和弱相互作用统一的理论是温伯格和萨拉姆1967年提出的，理论预言了弱中性流的存在，以及传递弱相互作用的中间玻色子的质量。1983年1月和6月在CERN的pˉp对撞机SPS上发现的带电的和中性的中间玻色子W/Z，其质量与理论预言惊人地一致，证实了弱电统一理论的成功，其意义可以与对麦克斯韦电学和磁学统一理论的验证相比拟。弱电统一理论与描述夸克之间强相互作用的量子色动力学(QCD)理论结合在一起统称为粒子物理学中的标准模型理论。在标准模型中传递相互作用的媒介子分别是光子(传递电磁相互作用)、中间玻色子(传递弱相互作用)及胶子(传递强相互作用)。夸克、轻子及传递相互作用的媒介子是构成物质世界的基本单元，它们遵从标准模型理论。标准模型理论是近半个世纪以来探索物质结构研究的结晶，是20世纪*重要的成就之一。很多人认为这一成就可以与20世纪初的玻尔原子模型相比，正是有了玻尔原子模型，20世纪20年代末才有了量子力学理论的建立。 高能物理学是一门实验科学，只有经过实验检验的理论才是正确的。揭示时空、物质和能量本质的新理论都需要在新的实验结果推动下得以发展。目前的实验结果除了中微子质量之外，大都和标准模型理论符合得很好，表明了理论模型的成功，物理学家正期待着超高能加速器上的实验结果。目前科学家们正在策划的超高能对撞机有电子直线对撞机、μ子对撞机及超高能的强子对撞机等。实验和理论相互促进，标准模型理论的发展一定会促使深层次动力学规律的发现和建立。同时粒子物理学家也正在与宇宙学家和天体物理学家联手从天文观测和宇宙演化中发展新观念和新理论。 近年来天文观测中给出了宇宙中的物质成分：普通重子物质只占～4%，而其余～23%是非重子的暗物质和～73%的暗能量。暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。大爆炸理论认为，在大爆炸后的10.36s到10.33～10.32s时间间隔内宇宙的体积膨胀了至少1078倍。导致大爆炸的能量来自何处？有可能来自普朗克能标的某个标量场吗？大爆炸之后宇宙继续膨胀，速率减缓，直至暗能量变得重要。目前理论还不能揭示暗能量的真实本质，科学家企图从真空结构的能量来解释，但目前的量子场论计算结果相差太大，受到了严重的挑战。正在运行的美国布鲁克海文国家实验室重离子对撞机(RIHC)有可能部分地揭示真空的性质。同时，科学家也在发展非加速器物理实验，并与天文观测相结合探讨自然界的奥秘。*新的发展使得粒子物理学、天文学和宇宙学交叉发展联手解决面临的难题，*终揭示超出于标准模型的新的物理规律。总之，我们需要更多的跟得上时代发展的高能物理实验(包括加速器和非加速器)装置和天文观测装置，而且这些大科学工程的建立和运行需要国际更多、更广泛的合作。 1.1.1粒子的分类 20世纪60年代之前人们就认识到基本粒子可以分为两类：一类是参与强相互作用的粒子，如质子、中子、π介子、奇异粒子和共振态粒子等，统称为强子；另一类是不参与强相互作用，只参与电磁、弱相互作用的粒子，如电子、μ子和中微子等，统称为轻子。高能物理实验又进一步揭示，上百种的强子其实并不“基本”，它们是有内部结构的。质子、中子、π介子等强子是由更小的夸克组成的。夸克被看成是物质结构的新层次，并提出了夸克模型理论。这些强子是由三种更基本的夸克(上夸克u、下夸克d和奇异夸克s)组成的。60年代大量的高能物理实验证实了夸克的存在。1974年，丁肇中和里克特(B.Richter)发现了第四种夸克——粲夸克c，1977年莱德曼(L.M.Lederman)在费米国立加速器实验室(FNAL)固定靶实验中发现了底夸克b，1995年在费米实验室的Tevatron对撞机上发现了顶夸克t。这6种夸克就是构成所有数百种强子的“基本”单元。同时轻子的发现也达到了6种(电子、电子型中微子、μ子、μ型中微子、τ轻子、τ型中微子)。因此轻子和夸克就是目前阶段我们所认识的物质结构的新层次，它们可表示为两分量的旋量态(spinor)的形式，轻子. 此外还有传递相互作用的规范场粒子胶子g、γ光子、W±、Z0，以及希格斯粒子H。这就是我们现在了解的组成物质世界的*基本粒子，如图1.1所示。 图1.1组成物质世界的基本粒子 强子又分为介子和重子，介子是由*基本的夸克和反夸克组成的，重子则由三个夸克组成。轻子和夸克都是同位旋的费米子，每一个费米子都有其对应的反粒子。夸克和轻子间的电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用及引力相互作用等运动规律就构成了自然界万物奥妙无穷、千变万化的物理现象。引力的相互作用强度*弱，在微观世界可以忽略，而强相互作用*强，是理解微观世界基本组分及它们之间相互作用运动规律的关键。表1.1给出了四种相互作用力的基本特征。顺便提一下，近年来还发现了一些范外(exotic)的粒子态，它们很可能是四夸克态、五夸克态或夸克和胶子的混杂态(hybrid)。 表1.1四种相互作用力 1.轻子 轻子的基本特征列于表1.2中，在标准模型中，中微子质量取为零，而近些年的中微子实验表明中微子质量并不为零。 表1.2轻子的基本特征 这里我们回忆一下τ轻子的实验发现，因为它是J/ψ被发现以后的*重大发现。它是1975年在美国斯坦福直线加速器中心的SPEAR正负电子对撞机上Mark–I实验发现的[3]。该实验组的发言人MartinL.Perl教授为此获得了1995年的诺贝尔奖。SPEAR正负电子对撞机1973年开始运行，*初几年的总能量为4.8GeV，后期提高到8GeV。τ轻子可以通过轻子衰变道衰变到e+中微子或μ+中微子。在e+e.对撞机上τ轻子总是成对产生的，因此实验上可以寻找末态为e+μ的事例， (1.1) 图1.2给出的是当时的截面测量。 其后SPEAR上的DELCO实验通过e+e.→e±X.两叉事例测量了[4] (1.2) 图1.2SPEAR上Mark-I实验首次(1975年)给出的eμ信号的截面。尚未对接受度修正，86个事例，计算给出的本底数为22个(来自MartinPerl的报告[3]) X不能是电子。实验在质心系能量为3.1GeV<√s<7.4GeV区间测量到692个事例，其中在D0ˉD0的产生阈值之下的数据可以排除其来自D介子衰变的可能性。如图1.3所示，拟合与自旋(实线)符合得很好。 图1.3DELCO实验测得的在3.5GeV<√s<4.4GeV区间的结果，给出了三种不同自旋假设的阈行为