从杠杆到量子 · 一部按时间走的物理学第 41 章 / 第七单元 · 物质与粒子
第 41 章 · 1912—1995

粒子动物园与标准模型

从气球上的验电器到地下的环形隧道，物理学家怎样把几百种“基本粒子”收拢成一张十几格的表，又怎样把造粒子的机器送进了医院。

阅读约 30 分钟两个可以动手的演示公式：2 个
序章第七单元 · 物质与粒子 · 4 / 5终章

时代速写一只氢气球，三台验电器

1912 年 8 月 7 日清晨，奥地利物理学家维克托·赫斯（Victor Hess）在波希米亚的小城奥西希爬进一只氢气球的吊篮。这是他这一年的第七次飞行，篮子里装着三台他自己设计的验电器，外壳是 3 毫米厚的黄铜1。

气球升到约 5000 米（也有资料记作 5300 米）1,2。验电器的读数让他吃了一惊：越往上，空气被电离得越厉害，到 4500 米时电离率大约是地面的三倍。六个小时后，气球降落在柏林附近，离起飞点往北约 200 千米1。赫斯带回来的结论是：有一种穿透力极强的辐射从天上来。今天它叫宇宙线。

这一章从这只气球讲起，讲到 1995 年美国伊利诺伊州的一台环形对撞机。八十多年里，物理学家先是在宇宙线里捡到一个又一个没人预料的粒子，然后自己动手造机器去撞出更多粒子，多到有人开玩笑说该罚款；最后，他们发现这一大群粒子背后只有一张很短的表：六种夸克、六种轻子，加上几种传递力的粒子。这张表叫标准模型。

  • 1912赫斯乘气球发现高空电离增强，宇宙线研究由此开始1。
  • 1931劳伦斯和利文斯顿的回旋加速器第一次成功，把氢离子加速到 8 万电子伏3。
  • 1936安德森和内德梅耶在宇宙线云室照片里发现μ子1,4。
  • 1947布里斯托尔的乳胶照片里找到π介子；曼彻斯特的云室里看到第一批“奇异粒子”5,6。
  • 1952格拉泽做出第一台气泡室7。
  • 1964盖尔曼和茨威格各自提出夸克；布鲁克黑文找到盖尔曼预言的Ω⁻粒子8,9,10。
  • 1967—1969斯坦福直线加速器中心（SLAC）用电子打质子，看到质子里的“硬核”11。
  • 1973CERN 看到弱中性流；渐近自由被发现，强力理论成形12,13。
  • 1974“十一月革命”：两个实验组同时发现 J/ψ 粒子14。
  • 1983CERN 发现 W 和 Z 玻色子15。
  • 1995费米实验室宣布发现顶夸克，标准模型的物质粒子凑齐16。

1909 — 1932问题：空气为什么会自己导电

赫斯要回答的问题，在当时听起来很小。把一台验电器充上电、密封好，放着不动，它也会慢慢漏电。漏电说明里面的空气被什么东西电离了，产生了能导电的离子。大家普遍认为罪魁是地面岩石里的放射性物质，第 31 章讲过，那是刚发现不久的新东西。

1909—1911铁塔、海水和气球

如果辐射来自地面，离地面越远，电离就该越弱。德国耶稣会神父、物理学家武尔夫（Theodor Wulf）改进了验电器，把它的灵敏度提高到每秒能分辨出一对离子。1910 年复活节，他把验电器带上埃菲尔铁塔，在 300 米高处测得的电离率只比地面略低一点，远远高于“辐射全来自地面”时应该剩下的量1。

意大利的帕奇尼（Domenico Pacini）做了一个方向相反的实验：他把验电器沉到热那亚湾的海水下 3 米，读数比海面上略低。海水挡住了一部分从上面来的辐射，所以空气里一定有一种和地壳无关的穿透性辐射1。他独自工作，经费拮据，论文多用意大利文发表，长期没人注意，后来赫斯在 1940 年的书里专门提到了他1。瑞士的戈克尔（Albert Gockel）在 1909 至 1911 年间坐气球飞到 4500 米，可他的仪器内部气压随高度变化，结果说明不了问题1。

1911—1914赫斯和科尔赫斯特：越高越强

赫斯先在地面重新测量了镭的射线被空气吸收得有多快，结果和前人一致，所以武尔夫和戈克尔的读数仍然是个谜1。他决定自己上天。1911 到 1913 年，他一共飞了 10 次。8 月 7 日那次之外，他还在夜里飞，也在日食期间飞，辐射都没有减弱，可见它不是太阳发出来的1,17。

1912 年，赫斯站在气球吊篮里，周围挤着围观的人
赫斯气球飞行归来，1912 年 8 月。看吊篮正中戴帽子、留胡子的人，那是赫斯。他的验电器和他一起装在这样一个敞开的篮子里，没有任何加压或保暖的舱室。作者不详，美国物理学会藏，公有领域 · Wikimedia Commons

德国的科尔赫斯特（Werner Kolhörster）改进了仪器，在第一次世界大战前飞了五次，最后一次升到 9300 米，测得的电离率是地面的 6 倍。他还估计这种辐射在空气中的吸收长度约 1300 米，比放射性物质发出的γ射线大一个数量级1。

美国的密立根（Robert Millikan）起初不信。1924 年他还在美国物理学会的会议上断言，穿透辐射完全是本地产生的。1926 年他在加州两个海拔不同的高山湖里测量，发现 2 米深的水和 2 千米厚的空气挡掉的辐射差不多，这才相信辐射“确实来自上方”，并给它起了 cosmic rays 这个名字1。1936 年，赫斯因为发现宇宙线获得诺贝尔物理学奖1,17。

1911把看不见的粒子拍下来

光知道有辐射还不够，物理学家想看见单个粒子。办法来自苏格兰的一座山顶。1894 年夏，C.T.R. 威尔逊（Charles Thomson Rees Wilson）站在本尼维斯山顶，被云雾上的彩色光环迷住了，回到卡文迪什实验室后想在玻璃容器里造云18。他发现，把湿润而干净的空气突然膨胀降温，水汽会凝结在空气里的离子上。1911 年初，他第一次看到并拍下了单个α粒子和β粒子留下的径迹，他形容电子的径迹是“一缕缕的小云丝”18。卢瑟福称云室是“科学史上最有独创性、最奇妙的仪器”18。

带电粒子穿过云室，沿途电离出一串离子，每个离子上凝结一颗小水珠，于是一条看不见的轨迹变成了一道白线。再加一个磁场，带电粒子的轨迹就会拐弯：往哪边拐，说明电荷是正是负；拐得多急，说明动量有多大。第 34 章讲过，1932 年加州理工学院的安德森正是用这样一台放在磁场里的云室拍宇宙线，拍到了第一个反粒子：正电子19。宇宙线就这样成了一台免费的、能量极高的天然加速器。下一个从里面跑出来的粒子，谁都没有预料到。

1935 — 1947汤川的信使，和一位不速之客

1935力程越短，信使越重

1932 年查德威克发现中子之后，原子核被看成质子和中子挤在一起（第 32、36 章）。质子都带正电，彼此排斥，是什么把它们攥在一起？这种核力很强，作用范围却极短，大约只有 10−13 厘米，出了原子核就几乎消失20。

大阪大学的年轻讲师汤川秀树（Hideki Yukawa）在 1935 年发表论文，提出了一个大胆的类比20。电磁力靠交换光子传递，光子没有质量，所以电磁力能传到很远。如果核力也靠交换某种粒子传递，那么这种“信使”粒子越重，力就传得越近。从核力的力程倒推，这种粒子的质量大约是电子的 200 倍20，介于电子和质子之间，所以后来叫介子（meson，意思是“中间的”）。

这个思路以后会一再出现：一种力传得多远，取决于传递它的粒子有多重。本章后面讲弱力时还会用到它。

1936—1937安德森的铂板

汤川的论文发表一年后，安德森和他的学生内德梅耶（Seth Neddermeyer）在云室中间插了一块 1 厘米厚的铂板，用来看粒子穿过金属时损失多少能量。他们发现一种带电粒子，穿过铂板时损失的能量比电子少得多，算出来的质量也介于电子和质子之间1。论文 1937 年 5 月发表在《物理评论》上4。

汤川听到消息，以为这就是他预言的介子1。可是麻烦很快出现了。这种粒子的寿命约 2 微秒，比汤川粒子应有的寿命长了一百倍；它能穿过一米厚的铅块，和原子核几乎不发生作用1。一个负责把原子核攥在一起的粒子，怎么会对原子核这么冷淡？

答案来自战火中的意大利。二战的最后日子里，孔韦尔西（Marcello Conversi）、潘奇尼（Ettore Pancini）和皮乔尼（Oreste Piccioni）三个年轻人一边躲避德国占领军，一边开始了一个实验。1946 年他们证明，这种粒子和原子核几乎完全不发生核反应，根本当不了汤川的信使21。后来的诺贝尔奖得主阿尔瓦雷斯（Luis Alvarez）在 1968 年的诺贝尔演讲里说，他个人认为现代粒子物理就是从这个实验开始的21。

这位不速之客就是μ子。它和电子几乎一模一样，带同样的电荷，也不参与核力，只是重了 200 多倍1。今天的精确值是 105.66 MeV，电子是 0.511 MeV22。据说美国物理学家拉比（I. I. Rabi）听说之后问了一句：“这是谁点的菜？”这句话流传极广，但没有找到当时的文字记录，只能当作一个好故事。

你身上每分钟都有μ子穿过

宇宙线里的质子撞上高层大气，产生大量π介子，π介子衰变成μ子。μ子大多生于约 15 千米的高空，到达海平面时平均能量约 40 亿电子伏；在一块水平放置的探测器上，大约每平方厘米每分钟有一个23。它们只活 2 微秒，按理说飞不了几百米就该衰变完，能大量到达地面，靠的是第 27 章讲过的相对论时间膨胀。

1947鲍威尔的乳胶：真正的信使

布里斯托尔大学的鲍威尔（Cecil Powell）走了一条不同的路。他不用云室，而用特制的照相乳胶：带电粒子穿过乳胶，沿途的溴化银颗粒显影后变成一串黑点，就是它的轨迹；粒子越慢，黑点越密24。乳胶便宜、能一直“开着”，可以带上高山放几个星期。

1947 年，鲍威尔和巴西青年拉特斯（César Lattes）、意大利的奥基亚利尼（Giuseppe Occhialini）等人，在玻利维亚安第斯山上约 5500 米处曝光的乳胶里，看到了 11 个同样的事例：一个粒子停下来，衰变成一个μ子和一个看不见的中微子；每一个μ子的径迹长度都是约 0.6 毫米1,5。μ子的径迹长度一样，说明每次衰变放出的能量都一样，这是一个粒子衰变成两个粒子的标志。这个母粒子就是汤川预言的介子，今天叫π介子1。诺贝尔委员会给出的数据是：π介子质量约为电子的 286 倍，μ子约 216 倍，π介子的寿命比μ子短一百倍24。

汤川在 1949 年获诺贝尔奖，鲍威尔在 1950 年获奖20,24。一位提名人说，鲍威尔证明了用最简单的仪器，乳胶加显微镜，仍然可以做出根本性的发现24。

同一年，曼彻斯特的罗切斯特（George Rochester）和巴特勒（Clifford Butler）在云室照片上看到了另一种怪事：一个看不见的中性粒子飞出一段后分成两条带电径迹，形状像字母 V6。这类粒子产生得很容易，衰变却慢得出奇，后来被叫作奇异粒子25。粒子的名单开始变长了。

1929 — 1973自己造粒子：回旋加速器与气泡室

宇宙线的能量很高，可它从天上来，什么时候来、来什么，都由不得人。要系统研究原子核和新粒子，物理学家需要自己的“炮弹”。1927 年，卢瑟福公开呼吁找到一种办法，“充足地”供应比天然放射性更高能的粒子3。英国的考克饶夫和沃尔顿、美国的范德格拉夫都在想办法造几十万、上百万伏的高压，可电压一高，空气就会打出巨大的电火花3。

1929—1932劳伦斯的“质子旋转木马”

1929 年春，加州大学伯克利分校的年轻教授欧内斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence）翻一本德国电气工程期刊，读到挪威工程师维德勒（Rolf Widerøe）的一篇论文：让离子穿过一串电极，每过一个缝隙就被电场推一下3。劳伦斯觉得这种直线排列要几米长，不实用。他想到：如果用磁场让粒子绕圈，同一个缝隙就可以一次又一次地推它3。

具体做法是把一个扁圆盒子从中间剖成两半，像两个字母 D 背靠背放着，中间留一道缝，整个放在大电磁铁的两极之间。粒子在 D 形盒里转半圈，回到缝隙时，缝隙两边的电压正好换了方向，又把它推一下。速度越来越快，圈越转越大，最后沿螺旋线甩到边缘，打到靶上3,26。

这个设计能成立，靠的是一个巧合般的事实：在磁场里，粒子绕一圈所需的时间与它跑得多快无关。跑得快的粒子绕的圈大，路程长，正好抵消。所以电压只要按一个固定的频率来回翻转，就能始终和粒子合拍：

f = q B ÷ (2π m)
f
粒子每秒绕的圈数，也是 D 形盒上交变电压的频率（赫兹）
q
粒子的电荷（库仑）
B
磁场强度（特斯拉）
m
粒子的质量（千克）
读法：式子里没有速度，也没有半径。只要磁场和粒子种类不变，转圈的节拍就不变。粒子接近光速时质量效应会打破这个节拍，那是后来同步加速器要解决的问题。

1931 年 1 月，劳伦斯和研究生利文斯顿（M. Stanley Livingston）的第一台成功机器只有手掌大小，直径约 4.5 英寸（劳伦斯伯克利国家实验室的记载是 5 英寸），用 1800 伏的电压把氢离子加速到了 8 万电子伏，相当于让粒子被推了四十多次3,27。接下来的 11 英寸机器突破了 100 万电子伏：美国物理联合会的史料说是 1931 年夏天，利文斯顿给劳伦斯发电报报喜，结尾加了一句“Whoopee!”；伯克利实验室的记载则是 1932 年 1 月3,27。1932 年，两人在《物理评论》上发表了论文，题目就是《不用高电压产生高速轻离子》28。

揭开盖子的 27 英寸回旋加速器真空室，里面是两个半圆形铜电极
27 英寸回旋加速器的“D 形盒”，伯克利，1935 年发表的照片。看圆形真空室里被一道直缝分开的两半：那是两个 D 形铜盒，直径 22 英寸、高 2 英寸，中间的直缝就是加速间隙。工作时真空室夹在一台大电磁铁的两极之间，磁场约 1.6 特斯拉；缝隙两边加约 12 兆赫、1.3 万伏的射频电压。氘核从中心出发，顺时针转着螺旋圈走到边缘，从缺口飞出去打靶26。用上面的公式算，氘核在 1.6 特斯拉里正好每秒转约 1200 万圈。John B. Livingood，《Electronics》1935 年 11 月，公有领域 · Wikimedia Commons

此后的机器一台比一台大。27 英寸机器用了一块 80 吨重的旧电台磁铁，1932 年 9 月把质子加速到 360 万电子伏；扩大成 37 英寸后，1937 年能把氘核加速到 800 万电子伏，并在它辐照过的材料里得到了第一种人造元素锝27。1939 年，劳伦斯因发明回旋加速器获得诺贝尔奖，同年一台 60 英寸、磁铁重 220 吨的回旋加速器开始运行27,29。后面“它怎么改变了世界”会讲到，劳伦斯的医生弟弟正是在这台机器旁边开创了核医学。

1948 年，伯克利新建的 184 英寸回旋加速器已经能大量制造π介子，用不着再上山等宇宙线21。1953 年在法国比利牛斯山举行的宇宙线会议被看作一个转折：粒子物理的主战场从高山和气球转到了加速器旁边1。

1952格拉泽的气泡室

加速器越造越大，粒子能量越来越高，云室就不够用了。云室里是稀薄的气体，高能粒子一穿而过，很少和里面的原子核发生碰撞，拍到“事件”的机会太少。密歇根大学的年轻物理学家格拉泽（Donald Glaser）当时正在研究奇异粒子30，他想换成密度大得多的液体7。

办法是让液体处在“过热”状态：先加压，再突然减压，液体的温度就高于它在这个压力下的沸点，却还来不及沸腾。这时如果有带电粒子穿过，它电离出的离子就成了沸腾的起点，沿路冒出一串小气泡。在气泡长大之前闪光拍照，就得到一条径迹7。1952 年，他的第一台气泡室只是一根拇指大小的耐热玻璃管，里面装的是乙醚7。他后来才知道，费米曾经“证明”过这种东西不可能成功7。1960 年，34 岁的格拉泽获得诺贝尔奖7。

伯克利的阿尔瓦雷斯把气泡室推到了工业规模。他改用液氢：液氢的原子核就是单个质子，碰撞最干净，最容易分析7。他的 72 英寸液氢气泡室 1959 年 3 月 24 日首次运行；他的团队前后给物理学界提供了大约一千万张高质量的立体照片，还专门造了测量机器，雇了大批扫描员一张张找径迹21。他的小组用这些气泡室发现了一大批以前不知道的、寿命极短的“共振态”粒子31，阿尔瓦雷斯在 1968 年获得诺贝尔奖。

一个巨大的金属球形容器立在混凝土底座上，表面有许多方形接口
费米实验室 15 英尺气泡室的真空罐，退役后陈列在实验室户外。1973 年 9 月 29 日它第一次运行时，是世界上最大的液氢气泡室。看罐体的大小和底下的管道：里面的气泡室装着液氢、液氘或氢氖混合物，外面绕着一台重 150 吨、场强 3 特斯拉的超导磁体；每次加速器送来粒子，一个直径 6 英尺的活塞在约 60 毫秒内下降 4 英寸多，让液体减压32。它一生拍了数百万张照片32。费米实验室（美国能源部）照片，公有领域 · Wikimedia Commons

动物园

到 1950 年代中期，新粒子已经多到让人头疼。1955 年，兰姆（Willis Lamb）在诺贝尔演讲的第一段说：诺贝尔奖刚开始颁发的 1901 年，物理学家只知道两种“基本粒子”，电子和质子；1930 年以后来了一大群，中子、中微子、μ介子、π介子、更重的介子和各种超子。他听人说过，以前发现一种新基本粒子能得诺贝尔奖，现在该罚款一万美元33。阿尔瓦雷斯的气泡室之后，名单又长了好几倍。“粒子动物园”这个说法就是这么来的。

下面这个演示复原了物理学家读气泡室照片的基本功：看弯曲。

气泡室里的弧线演示 1 · 选粒子、调动量和磁场，看它怎么拐弯

径迹的半径由一个很短的式子决定。磁场对运动电荷的力总是垂直于速度，只改变方向、不改变快慢，粒子于是走圆弧：

r = p ÷ (q B)
r
圆弧的半径（米）
p
粒子的动量，质量乘速度（接近光速时要用相对论动量）
q
粒子的电荷。电子、μ子、π介子、质子的电荷大小都一样
B
磁场强度（特斯拉）
读法：动量越大越难掰弯，磁场越强越容易掰弯。粒子物理学家常用一个换算好的版本：动量以 GeV/c 为单位、磁场以特斯拉为单位时，r（米）＝ p ÷ (0.3 × B)。

试着把四种粒子调到同一个动量，比如 0.5 GeV/c。它们的弧线一样弯，因为电荷一样、动量一样。区别在粗细：质子重，同样的动量下跑得慢，沿途电离得多，气泡更密。扫描员就是靠“弯多少”和“多粗”两样东西认出粒子的，鲍威尔看乳胶里的黑点疏密也是同一个道理24。再把电子的动量调低：它会一边绕一边丢能量，卷成一个小螺旋，气泡室照片上到处都是这种小卷。演示里的能量损失用了简化的近似，也没有画粒子的衰变，数字只能当作量级参考。

1961 — 1969给动物园排座次：八重法与夸克

1961—1964八重法和一个空位

面对几十种强子（参与核力的粒子），加州理工学院的盖尔曼（Murray Gell-Mann）做的事有点像门捷列夫排元素周期表。1953 年起，他提出“奇异数”，解释了那些 V 形粒子为什么产生得快、衰变得慢25。1961 年，他用一套数学上早已有人研究过的对称性，把自旋和宇称相同的强子归成一个个大家族：质子、中子和另外六种较重的重子凑成一个八个成员的家族25。他借佛教的“八正道”，给这套分类起名“八重法”（the Eightfold Way）34。以色列的内埃曼（Yuval Ne’eman）稍晚也独立提出了类似的分类25,10。

门捷列夫的周期表上有空格，八重法也有。在另一个更重的家族里还空着一个位置，按规律应该放一种带负电、奇异数为 −3 的重粒子。1962 年，盖尔曼预言了它的存在和大致质量，叫它Ω⁻25。1964 年 2 月 24 日的《物理评论快报》上，布鲁克黑文国家实验室一个 33 人的团队报告，在 80 英寸气泡室的照片里找到了它，质量 1686±12 MeV，带一个负电荷，奇异数正好是 −310。分类表能预言新粒子，说明它背后有真东西。

1964夸克，或者“爱司”

为什么强子恰好排成八个、十个一组？1964 年初，盖尔曼在《物理快报》上发表了一篇两页的短文，指出这些家族都可以看成由三种更小的成分拼出来，他称之为夸克：上夸克 u、下夸克 d 和奇异夸克 s8。这个名字取自乔伊斯小说《芬尼根的守灵夜》里的一句“Three quarks for Muster Mark!”34。质子是两个 u 一个 d，中子是一个 u 两个 d。

这套方案有一个让人难以接受的地方：夸克的电荷必须是质子的 +2/3 或 −1/334,8。从密立根的油滴实验以来，从没有人见过小于一个电子电荷的电量。

几乎同时，在 CERN 访问的年轻理论家茨威格（George Zweig）独立想到了同样的构造。他在 1964 年 1 月 17 日和 2 月 21 日写了两份 CERN 预印本，管这些成分叫“爱司”（aces）。他之所以选扑克牌里的 A，是因为一副牌有四张 A，他当时觉得应该还有第四种成分9。两人的态度很不一样。茨威格把爱司当作真实存在的粒子；盖尔曼在文章结尾写道，在最高能量的加速器上搜寻稳定的夸克，会有助于“让我们确信真实夸克并不存在”9。他把夸克当成一种计算工具，打了个比方：法国厨师有时把野鸡肉夹在两片小牛肉之间烹调，做好后把小牛肉扔掉9。

此后几年，人们在海水、陨石、宇宙线和加速器里到处找带分数电荷的粒子，一个也没找到11。1969 年诺贝尔委员会给盖尔曼颁奖时，授奖词说至今仍未找到单个的夸克，但这个想法有很大的启发价值；奖励的是他对粒子的分类25。

1967—1969SLAC：质子里的硬核

证据来自一台两英里长的“电子显微镜”。斯坦福直线加速器中心的直线加速器 1962 年在斯坦福西边的山坡上开工，长约 3.2 千米，被建造者称作“怪物”35。1967 年，SLAC 和麻省理工学院的一个小组开始用它的电子束去打液氢和液氘靶，电子能量从 40 亿到 210 亿电子伏，两台大型磁谱仪记录电子被弹开的角度和剩下的能量11。

诺贝尔委员会后来写道，这个实验起初被普遍看作例行公事11。前人用低能电子打质子，发现质子像个软球，电子很少被弹到大角度。可是当这个小组去看所谓深度非弹性散射，也就是电子丢掉一大半能量、以大角度飞出的情况时，这类事件比预期多得多。他们一开始以为是自己算错了，怀疑是电子沿途辐射丢了能量没被记上，仔细核查之后才确认：质子里面有一些小而硬的散射中心11。

这一幕和 1909 年的金箔实验如出一辙（第 32 章）。当年α粒子被反弹回来，让卢瑟福推断原子中心有一个小而硬的核；现在电子被大角度弹开，让人推断质子里也有小而硬的颗粒。扮演卢瑟福的是理论家比约肯和费曼，这些硬颗粒被解释为夸克11。数据里还藏着一个线索：质子的动量只有一半左右由带电的夸克携带，另一半属于某种电中性的成分11,13。弗里德曼、肯德尔和泰勒因此获得 1990 年诺贝尔奖11。CERN 的加尔加梅勒气泡室用中微子做的类似实验，和 SLAC 的电子数据合在一起，确认了夸克的电荷确实是 1/3 和 2/312。

1961 — 1995三种力，最后几块拼图

粒子有了秩序，接下来要搞清楚它们之间的力。在原子核和粒子的尺度上，引力弱到可以忽略，剩下三种力：电磁力、让原子核衰变的弱力、把夸克攥在一起的强力。

1961—1973弱力和电磁力是一家

弱力听起来无关紧要，其实太阳靠它发光：太阳内部聚变的第一步，两个氢核变成一个氘核，就是弱力完成的36。费米在 1934 年给出过第一个弱力理论36，可它只在低能量下管用。1960 年代，格拉肖（Sheldon Glashow）、温伯格（Steven Weinberg）和萨拉姆（Abdus Salam）分别提出，弱力和电磁力是同一种力的两个侧面36。格拉肖的论文在 1961 年，温伯格那篇题为《轻子模型》的论文发表于 1967 年36。

这个理论有两个可以检验的预言36。第一，除了会改变粒子电荷的弱作用（比如中子变成质子的β衰变），还应该有一种不改变电荷的弱作用，叫“中性流”。第二，传递弱力的是一些很重的粒子：带电的 W⁺、W⁻ 和中性的 Z，质量大约是质子的一百倍。前面讲过汤川的道理：信使越重，力程越短。W 和 Z 那么重，弱力的力程只有约 10−18 米，所以显得弱37。

理论起初没什么人当真，因为计算时会冒出无穷大。1971 年，荷兰乌得勒支大学的研究生霍夫特（Gerard ’t Hooft）在导师韦尔特曼（Martinus Veltman）的研究基础上发表了两篇论文，证明这类理论的无穷大可以被系统地消除38。理论一下子变得可信了。

1973 年 7 月，CERN 加尔加梅勒气泡室的合作组在一次研讨会上公布，他们在中微子打出的事件里找到了中性流：166 个中微子撞上核子、只产生强子而不产生μ子的事件，外加一个中微子撞上电子的事件12。加尔加梅勒长 4.8 米，直径 2 米，重 1000 吨，装着近 12 立方米的重液氟利昂，名字来自拉伯雷小说里巨人卡冈都亚的母亲12。1979 年，格拉肖、萨拉姆和温伯格获得诺贝尔奖36。

蓝色调的气泡室照片，满是细小的亮点和几条长径迹，下部有一条近乎水平、末端打卷的电子径迹
加尔加梅勒拍到的“轻子事件”，CERN，1973 年。中微子从画面一侧射入，本身不留痕迹。看画面下部从中间向右延伸、近乎水平、沿途打着小卷的径迹：那是被中微子撞动的电子，它一边走一边丢能量，和演示 1 里的电子一样。中微子撞完之后仍然是中微子，没有变成μ子，这正是中性流的特征12。CERN，CC BY 4.0 · Wikimedia Commons

1973强力：越近越松，越远越紧

夸克为什么永远单独出不来？电磁力的规律是离得越远越弱，强力却正好反过来。1973 年，格罗斯（David Gross）和当时还在读博士的维尔切克（Frank Wilczek），以及同样在读博士的波利策（David Politzer），在同一期《物理评论快报》上发表了同一个发现：在一种特定的理论里，夸克靠得越近，彼此的作用越弱，近到一定程度几乎像自由粒子；拉开距离，力反而越来越强，像一根越拉越紧的橡皮筋13。这叫渐近自由。

这个理论叫量子色动力学（QCD）。夸克除了电荷，还带一种叫“色荷”的东西，有红、绿、蓝三种（只是名字，和颜色无关）；传递强力的粒子叫胶子，胶子自己也带色荷，所以胶子和胶子之间也有相互作用，这是强力和电磁力最大的不同13。渐近自由一下子解释了 SLAC 的实验：被电子狠狠击中的夸克表现得像自由粒子；也解释了质子动量为什么有一半找不到主人，那一半属于胶子13。1970 年代末，德国汉堡 DESY 的正负电子对撞机上看到了三股粒子喷注同时飞出的事件，被解释为一个夸克甩出了一个胶子13。格罗斯、波利策和维尔切克在 2004 年获得诺贝尔奖13。

诺贝尔官网的科普材料里有一个惊人的数字：一枚硬币的重量，大约 80% 来自质子和中子内部夸克之间相互作用的能量13。你手里东西的分量，主要是强力的能量，第 27 章的 E = mc² 在这里换了个方向起作用。

1974十一月革命

1974 年 11 月，两个互不知情的实验组几乎同时撞上了同一个粒子14。在斯坦福，里克特（Burton Richter）的小组把电子和正电子在 SPEAR 储存环里对撞，对撞能量可以调到一千多个不同的值，新粒子只在其中一个值上出现；约 11 月 10 日，他们调到了那个值，碰撞产生的事件数一下子暴涨。他们叫它ψ14。在纽约长岛的布鲁克黑文，麻省理工学院的丁肇中带领小组用质子打铍靶，从数百万个无关粒子里挑出电子和正电子对，诺贝尔奖新闻稿形容这像在大型喷气式客机起飞时听一只蟋蟀叫。他们叫它 J14。

11 月 11 日，里克特和丁肇中在 SLAC 碰面，发现两组找到的是同一个粒子，两边立刻同时宣布14。这个粒子从此叫 J/ψ，它的寿命比按当时理论“应有的”长了约一千倍35,14。最自然的解释是：它由一种新的、第四种夸克和它的反夸克组成，这种夸克叫粲夸克（charm）。物理学家把这次突变叫作“十一月革命”35。两人分享了 1976 年诺贝尔奖14。丁肇中 1936 年生于美国，两个月大时随父母回到中国，因为战乱，12 岁以前没有正规上学；1956 年他 20 岁，带着 100 美元到美国读大学39。

1975—1995第三代和最后一块

同一台 SPEAR 上，佩尔（Martin Perl）在 1974 到 1977 年间找到一种比电子重约 3500 倍的轻子，叫τ（取希腊文“第三”的首字母）40。1977 年，费米实验室发现第五种夸克，底夸克16。物质粒子出现了第三代，第二代、第三代就像第一代的加重复制品。按照规律，底夸克还该有一个搭档，顶夸克。

与此同时，W 和 Z 还没有被直接看到。产生它们需要把极高的能量集中到一点，1976 年时世界上没有一台机器做得到41。意大利物理学家鲁比亚（Carlo Rubbia）提出把 CERN 现成的大加速器 SPS 改成质子和反质子迎头对撞的机器41,37。难点在反质子：自然界没有，只能一批批撞出来，每批都很少，还又散又乱。荷兰的范德梅尔（Simon van der Meer）发明了“随机冷却”法，能把一团散乱的反质子逐渐收拢压紧，最终让反质子流的密度提高了几十万倍41。按估算，要产生十来个 W 或 Z，需要大约十亿次碰撞41。

1981 年夏天首次对撞。1983 年 1 月 20 日和 21 日，鲁比亚的 UA1 组和迪莱拉（Luigi Di Lella）的 UA2 组先后在 CERN 挤满人的礼堂里做报告，分别给出 6 个和 4 个 W 候选事件；1 月 25 日，CERN 召开新闻发布会15。UA1 的两篇论文分别发表在 1983 年 2 月和 7 月的《物理快报》上42。Z 更难产生，数量大约只有 W 的十分之一；第一个 Z 事件记录于 4 月 30 日，又攒到几个之后，CERN 在 6 月 1 日宣布发现 Z15。今天测得 W 约 80.4 GeV、Z 约 91.2 GeV，都在一百个质子质量左右，和 1960 年代的预言吻合36,22。1984 年的诺贝尔奖授予鲁比亚和范德梅尔，瑞典皇家科学院说，这是与诺贝尔奖有关的最大的项目41。

顶夸克又让人等了快二十年。费米实验室为此造了 Tevatron，世界上第一台超导加速器，以及 CDF 和 DZero 两台大型探测器，每个合作组到 1995 年各有约 450 人，来自十几个国家16。1995 年 2 月 24 日，两个组同时向《物理评论快报》投稿，3 月 2 日在费米实验室的礼堂里宣布发现顶夸克16。它是标准模型里最重的基本粒子，约为底夸克的 40 倍，和一整个金原子一样重16，今天的测量值是 172.6 GeV22。

概念标准模型：一张十几格的表

到 1995 年，动物园里的强子都可以由夸克拼出来，真正被当作“基本”的粒子只剩一张小表40：

  • 夸克六种，分三代：(u, d)、(c, s)、(t, b)。它们带分数电荷，感受全部三种力，只能两个、三个地抱团出现。
  • 轻子六种，也分三代：(e, νe)、(μ, νμ)、(τ, ντ)。轻子不参与强力40。μ中微子 1962 年在布鲁克黑文被发现，证明中微子不止一种43；电子中微子 1956 年由科恩和莱因斯在核反应堆旁边捕获40。
  • 传递力的粒子：光子（电磁力）、W 和 Z（弱力）、胶子（强力）。

每种粒子还有自己的反粒子。日常世界的东西几乎全由第一代构成：上夸克、下夸克组成质子和中子，再加上电子40。第二代和第三代的粒子只在宇宙线和加速器里短暂出现。为什么恰好是三代，至今没人知道40。1989 年，CERN 的大型正负电子对撞机测量 Z 粒子的衰变宽度，确认轻的中微子只有三种，也就是说不会有第四代轻的中微子37。

拖动下面的年份滑块，看这张表是怎样一格一格填满的；点任何一格，看它的质量、电荷和来历。下方的横轴是对数刻度，每一大格相差一千倍。

标准模型的十七格演示 2 · 拖动年份，点击粒子

表中的质量取自粒子数据组 2024 年的汇编22，发现年份见本章各节以及40,43,44。注意横轴：最轻的中微子不到 1 电子伏，最重的顶夸克有 1726 亿电子伏，相差至少十一个数量级，没人知道为什么。同一代的两个夸克，质量也可能差上几十倍。

这张表里没有什么

它没有引力。四种基本力里，标准模型只管三种，引力仍由广义相对论单独描述40。中微子到底有没有质量，在 1990 年代还是悬而未决的问题40,43。还有一格在 1995 年空着，那就是希格斯粒子，它负责解释 W、Z 和其他粒子为什么有质量。这些都是第 42 章的故事。

影响它怎么改变了世界

粒子物理常被看作离生活最远的学问。可是为了撞出新粒子而发明的机器和探测器，几十年来一件件搬进了医院、工厂和考古现场。

一 · 质子刀：把能量放在肿瘤上

1946 年，物理学家罗伯特·威尔逊（Robert R. Wilson）在《放射学》杂志上发表了一篇短论文《快质子的放射学用途》45。X 射线穿过人体时，一路都在留下能量，肿瘤前后的正常组织也跟着受照。质子不同：它越走越慢，在射程的末端集中释放大部分能量，这个尖峰叫布拉格峰。调好质子的能量，就能让尖峰正好落在肿瘤上，后面的组织几乎不受照射46,47。

1954 年，加州大学伯克利分校用质子束治疗了第一位病人，她的乳腺癌转移到了垂体47。此后几十年，质子治疗主要在物理实验室里进行。直到 1990 年代初，加州洛马林达医学中心才在医院里建起专用的质子治疗设施46。到 2020 年前后，全世界接受过质子治疗的病人约 18 万46。它的费用是普通 X 射线放疗的 2 到 3 倍，对哪些癌症真正更有益，高等级的临床证据仍然不足，欧洲正在用随机对照试验回答这个问题46。

二 · 医院地下室的回旋加速器

1935 年，劳伦斯请当医生的弟弟约翰来伯克利，研究回旋加速器生产的放射性同位素能在医学上做什么；后来的 60 英寸回旋加速器专门用于医学和生物研究，伯克利实验室称它催生了现代核医学27。

今天最常见的例子是 PET 扫描（第 34 章）。病人注射一种带放射性氟-18 的葡萄糖类似物 FDG，代谢旺盛的组织，包括许多肿瘤，摄取葡萄糖多，就会聚集更多的氟-18；氟-18 放出正电子，正电子遇到电子湮灭成两个反向飞出的光子，扫描仪据此反推出位置。FDG 最初由布鲁克黑文国家实验室、宾夕法尼亚大学和美国国立卫生研究院合作开发：在布鲁克黑文合成，用小飞机送到费城，在宾大医院做出了第一批人体图像48。氟-18 的半衰期只有 110 分钟，必须在附近用加速器生产。起初只有自带回旋加速器的大机构能用；后来改为由区域性的回旋加速器中心生产，再配送给没有加速器的医院。今天 FDG 已是心脏病、癫痫，尤其是癌症诊断的常规药物48。

另一种同位素锝，最早就是在伯克利 37 英寸回旋加速器辐照过的材料里得到的27。它的同位素锝-99m 如今占全部核医学检查的约 80%，全世界每年约 3000 万到 4000 万次；不过今天的锝-99m 主要来自研究用核反应堆生产的钼-9949。

三 · 从对撞机到光源

电子在储存环里转圈时会不断放出强烈的 X 射线，对粒子物理学家来说这是损耗，对研究晶体和蛋白质的人来说却是最亮的光。1974 年 11 月 10 日，里克特小组在 SPEAR 控制室里庆祝发现ψ粒子时，旁边就站着斯坦福同步辐射项目组的人35。这台储存环后来整体改作同步辐射光源，1992 年起专供斯坦福同步辐射光源（SSRL）使用，如今有 30 个实验站，每年接待约 2000 名访问研究者35。第 38 章提到过的同步辐射光源，就有一部分是这样从对撞机改出来的。

四 · 用μ子透视金字塔

那位“不速之客”最后也派上了用场。μ子穿透力极强，又从天上源源不断地落下来，穿过厚石头会被吸收掉一部分。如果石头里有空洞，从那个方向来的μ子就会多一些。1967 到 1968 年，阿尔瓦雷斯带队在埃及哈夫拉金字塔里放置探测器，想找隐藏的墓室，1970 年在《科学》上报告：没有找到50。

2017 年，一个日本、法国和埃及的国际团队在《自然》上报告，他们用三种不同的μ子探测技术，在胡夫大金字塔的大走廊上方发现了一个至少 30 米长的大空腔，这是 19 世纪以来在大金字塔里发现的第一个重要内部结构50。最先看到它的，是名古屋大学放在王后墓室里的核乳胶膜50，也就是鲍威尔当年找到π介子的那种技术的后代。

五 · 三万台加速器

提到加速器，人们会想到 CERN 和费米实验室那样周长几千米的大环。可是 2009 年美国能源部召开的一次研讨会估计，全世界在用的粒子加速器约有 3 万台，其中包括大量的电子束加速器和离子注入机；用于基础研究的大型加速器只有几十台51。离子注入机把杂质离子加速后打进硅片，用于制造芯片（芯片的故事见第 39 章）；电子束则被用来处理燃煤电厂的烟气和废水51。劳伦斯为了“不用高电压”而想出的绕圈办法，和后来各种加速器一起，成了一门普通的工业技术。

误解啤酒、夸克和“最终理论”

误解一 · 格拉泽看着啤酒冒泡，想出了气泡室

这是粒子物理里流传最广的故事之一，格拉泽本人否认过7。他的出发点是一个物理问题：需要一种比气体密得多、又能显示径迹的介质，过热液体正好合适。真实的啤酒故事发生在发明之后：1953 年某个晚上，他把一箱啤酒偷偷带进实验室，想看看气泡室能不能用啤酒工作。结果整栋物理楼一股酒味，而当时大学附近禁酒，系主任又滴酒不沾，据他回忆差点当场把他开除52。

误解二 · 盖尔曼一提出夸克，大家就知道物质的最小单位找到了

盖尔曼自己在 1964 年的论文里，倾向于把夸克看作一种数学构造，还说寻找真实夸克的实验会帮助“让我们确信”它们不存在9。把它们当真实粒子的茨威格，论文当时只是 CERN 的预印本9。1969 年的诺贝尔奖也是奖给分类，不是奖给夸克25。人们真正相信夸克存在，要等 SLAC 的散射实验、渐近自由理论和 1974 年的 J/ψ 一起把证据补齐9,11,13。至于“单独看到一个夸克”，至今没有发生，按照量子色动力学，它本来就不该发生13。

误解三 · 标准模型是一个“万物理论”

标准模型在它管辖的范围里精确得惊人，可它的边界很清楚。它不包括引力40；它不能解释为什么粒子恰好有三代40；中微子有没有质量，在当时也是悬案40。这些问题，连同暗物质，留给第 42、43 章。

承上启下从天上的辐射到地下的隧道

上一章讲的是物质在低温和薄层里显出的奇异性质，超导是其中之一。超导在这一章其实已经露过面：费米实验室 15 英尺气泡室外的 3 特斯拉磁体是超导的32，发现顶夸克的 Tevatron 是世界上第一台超导加速器16。凝聚态物理造出的材料，就这样成了粒子物理的工具。

这一章的八十多年，可以概括成三步。先是被动地接收：宇宙线从天上送来正电子、μ子、π介子和奇异粒子。然后是主动地制造：回旋加速器、气泡室和越来越大的对撞机，撞出了一整个动物园。最后是整理：八重法给动物园排座次，夸克解释了座次，弱电统一和量子色动力学说明了粒子之间怎样相互作用。这里也是课程里几条线的会合处：第 27 章的狭义相对论（E = mc² 让能量变成新粒子）和第 34 章的量子力学（狄拉克方程和反粒子）在这里合成了量子场论；第五单元的宇宙学，也通过宇宙线和这条线接上了头。

到 1995 年，表上还空着一格。格拉肖、温伯格和萨拉姆的理论要成立，需要一种机制让 W 和 Z 获得质量，同时让光子保持无质量，这个机制早在 1964 年就被提出，它预言的粒子却又等了半个世纪。下一章从这里讲起：希格斯粒子、日内瓦地下的大型强子对撞机、会“变身”的中微子，以及标准模型解释不了的那些东西。

自测五个问题

1. 赫斯为什么要坐气球上天？他的结果为什么说明辐射来自太空而不是地面或太阳？
当时以为让空气电离的辐射来自地面岩石，那么越高电离应该越弱。赫斯测得越往上越强，4500 米处约为地面的三倍，所以辐射来自上方。他在夜间和日食期间也测到同样的辐射，说明它不是太阳发出的。
2. 汤川怎样从“核力的力程很短”推出介子的质量？这个道理后来在哪里又用到了？
传递力的粒子越重，力能传到的距离越短；光子无质量，所以电磁力能传得很远。核力力程约 10⁻¹³ 厘米，由此推出传递它的粒子约为电子质量的 200 倍。同样的道理解释了弱力：W 和 Z 约有一百个质子那么重，所以弱力的力程只有约 10⁻¹⁸ 米。
3. 回旋加速器为什么能用一个固定频率的交变电压一直给粒子加速？
在磁场中粒子绕一圈的频率 f = qB/(2πm) 与它的速度和半径无关：跑得快的粒子圈也大，绕一圈的时间不变。所以电压按固定频率翻转，总能在粒子到达缝隙时推它一把（直到粒子接近光速，相对论效应才打破这个节拍）。
4. 在气泡室照片上，同样动量的π介子和质子留下的径迹有什么相同、什么不同？
电荷相同、动量相同，所以在同一磁场里弯曲半径相同（r = p/qB）。但质子重得多，同样动量下速度慢，沿途电离更强，气泡更密，径迹更粗；如果动量较低，质子还会很快耗尽动能停下来。
5. SLAC-MIT 的深度非弹性散射实验看到了什么？为什么说它像卢瑟福的金箔实验？
高能电子打质子时，以大角度飞出、损失大量能量的事件远比预期多，说明质子内部有小而硬的散射中心，后来被解释为夸克。卢瑟福当年从α粒子的大角度反弹推断出原子里有小而硬的原子核，两者都是用“意外的大角度散射”看见了更深一层的结构。

参考来源本章依据

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图片：均来自 Wikimedia Commons，许可见各图说明。

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