对于基本粒子这一层级,物质只有极少数的几种性质。一个粒子可以有质量或者能量,可以有动量(包括自旋的内禀角动量),也可以有电荷。此外,粒子还有一些更神秘的性质,如奇异性。但是有奇异性的粒子不是很多。大多数情况下,用6种性质就能完全描述了一个粒子。

因为物质的基本属性只有这样少数几种,发现一种新的性质自然就成为物理学中的一件大事。例如20世纪60年代发现了一种新性质称为粲数。因为普通物质的原子并不带有粲数,因而只有在粒子高能碰撞的碎片中才能观察到它。

1974年,第一次暗示了粒子存在粲数。当时所发现的粒子只是用了一种隐蔽的方式带有粲数。后来,明显带粲数的粒子也被探测到。当然这些新粒子无疑都是高能物理学中最重要的发现。但更重要的是,在了解粲数的来龙去脉的过程中,物理学家们把普通物质的结构也弄得更清楚了。

在自然界里观察到的大部分粒子都可以分成两类：轻子和强子。轻子包括4种已知粒子：电子、μ介子以及2种中微子。轻子和夸克是现今被看作基本粒子的最主要的两类粒子。两者似乎都是简单的点状实体,既无内部结构又无可测量的大小。已知的4种轻子成对排列。在原始的夸克理论中,只有3种夸克,上夸克u和下夸克d形成一对,但奇夸克s却无伙伴。粲数为夸克理论加上了第4个夸克(c夸克),这就建立了轻子和夸克之间的对称性。

有一种被广泛接受的理论认为强子完全不是什么基本粒子,而是由几种更简单的组元组成的复合粒子,这种组元就叫作夸克。夸克和轻子在很多性质上是十分相似的,如它们都是简单的点状粒子。但是,毫无疑问,夸克和轻子不会是同类粒子,因为主导夸克之间的相互作用的力对轻子就完全没有作用。

自然界中物理学家认识的基本作用力有4种,按强度增加的顺序,它们是引力、弱作用力、电磁力和强作用力。引力影响到所有的粒子,它的力程是无限的(即长程力),但是引力对亚原子粒子的效应可以忽略。弱作用力同样影响各种物质,虽然它比引力强许多个数量级,但它仍然是很弱的,只有当强相互作用被禁锢时,它才是可观察的。电磁力只对带电粒子有作用。电子、μ介子和所有夸克都是这类粒子。电磁力把原子结合在一起,物质几乎所有的宏观性质(包括化学性质在内)都和电磁力有关。

强作用力可以把轻子和强子区分开来。根据夸克理论,把轻子和夸克分开的力正是强作用力。无论哪种轻子对强作用力都不敏感,只有夸克和强子(假设强子是由夸克构成的)才能感受到强作用力的影响。夸克可以通过弱作用力和电磁力同轻子发生相互作用,但是夸克之间的相互作用几乎只能通过强作用力起作用。强作用力比电磁力要强100多倍,在现在所研究的能量下,它比弱作用力要强1010倍。

只用很少的几种夸克和轻子来说明各种各样的物质,这种理论虽然是十分经济的,但对此必须有所保留。因为这个理论虽然已经得到广泛的承认,但完全没有证据说明夸克能单独存在。到目前为止,还没有人能从强子中把夸克萃取出来。事实上,也有一些理论家认为,或许夸克就是那么死死地被缠在强子里面,要在实验室中把夸克分离出来是绝不可能的。所以夸克的存在性也是一个问题,现在只能把夸克看成一种手段,来解释实验上所观察到的粒子之间的相互关系。

1963年,加州理工学院的牟雷·盖尔曼等人提出了夸克假说。在这个概念的最初提法中,只有3种夸克(即上夸克u、下夸克d和奇夸克s),而相应的3种反夸克则分则分别记为。根据一些简单的规则把夸克和反夸克结合起来就组成强子。一个夸克和一个反夸克结合起来得到的强子叫作介子。例如,带正电的π+介子就是由u夸克和反夸克组成的。另一种允许的组合是把3个夸克束缚在一起,这样得到的强子叫作重子,它们包括质子(夸克成分是uud)和中子(夸克成分是udd)。而三个反夸克还可以结合成反重子。根据强子的组成成分——夸克的指定性质,人们就可以直接解释观察到的强子的性质。

根据夸克组合起来的规则,所计算出来的量子数,就能说明强子的所有性质。每一个已知的强子都可以解释成是一个夸克和一个反夸克的组合,或者是三个夸克的组合,并且每种允许的夸克组合都对应于一种已知的强子,且没有留下任何空位。

这种对强子进行分类的体系是完备的,可是1974年发现的新粒子却向它提出了挑战。这种新粒子是强子,但是3种夸克的任何允许的组合都不可能得出这个强子,因为这3种夸克的所有组合都早已被说明了。(www.daowen.com)

在大约相同的时间,有两个实验小组相互独立地发现了这个新粒子,但他们采用的实验技术十分不同。一个实验小组的成员来自麻省理工学院和布鲁克海文国家实验室,他们是在布鲁克海文国家实验室进行的一项实验中发现这个新粒子的,并且给这个新粒子取名为“J”。另一个实验小组是由斯坦福直线加速器中心和劳伦斯伯克利实验室的物理学家们组成的,这个小组在斯坦福直线加速中心的一项实验中得到了新粒子存在的证据,他们选择了希腊字母“ψ”来标记这个新粒子。1977年这两个实验小组的领导人,麻省理工学院的物理教授丁肇中(华裔科学家)和斯坦福直线加速器中心的里希特,因为这个共同的突出发现而一起获得了诺贝尔物理学奖。

新粒子的质量大约是31亿电子伏特,也就是质子质量的3倍多,这使得新粒子成为已经知道的最重要的粒子之一。

夸克模型是当今世界探索强子结构最成功的模型,它是在前人对强子进行分类研究的基础上,于1964年由牟雷·盖尔曼等人提出的。该模型认为强子是由更基本的粒子(夸克)构成的。几乎与此同时,中国的科学工作者也提出了“层子模型”,认为强子是由更深的物质层次即层子(国外称为夸克)构成的,而层子本身也还是无限可分的。这方面的工作也曾引起国际上的重视,但限于当时的国内环境(1966年)以及经济实力不强、实验设备简陋,因而未成气候。

丁肇中和里希特在1976年获得诺贝尔奖时,对他们各自领导的实验小组所发现的新粒子J和ψ统称为J/ψ粒子。此新粒子已被证实是由粲夸克和反粲夸克构成。J/ψ粒子的发现为夸克粒子的存在提出了强有力的证据,因而为全世界所瞩目。1977年发现了γ粒子,为了解释它的存在,必须引入第五种夸克,称为底夸克b,γ粒子的结构是(),1995年又发现了第六种夸克称之为顶夸克t,b夸克和t夸克与前4种夸克一样,重子数都是,自旋都是。

对于物质微观结构的探索,最终集中在两个方面,即解决粒子间的相互作用力问题以及物质结构的最小“基元”的问题。这二者又是互相紧密联系着的。

1954年,杨振宁和米尔斯建立了普遍的规范物理论,为描述各种基本相互作用提供了一个确定的框架。如电磁场就是一种规范场,传递电磁相互作用的规范粒子就是光子。1968年,温伯格、萨拉姆和格拉肖在规范场的基础上,建立起了弱电统一理论。这一理论认为,在低能范围内,传递弱电相互作用的四种规范粒子,表现为传递电磁相互作用媒介的光子和传递弱相互作用媒介的W±和Z0粒子;而在高能范围内,电磁作用和弱作用表现为一种统一的作用。在1983年发现的这一理论所预言的W±和Z0粒子的实验,证明了弱电统一理论的正确性。

组成强子的夸克之间的强相互作用也可以用规范场来描述,按照这一理论,传递强相互作用的规范粒子称为胶子,这就是描述强相互作用的量子色动力学。已有一些实验符合这一理论所预言的结果。1979年,丁肇中领导的小组首次找到了支持胶子存在的证据,胶子有很强的力量能把夸克和夸克“粘”在一起,这给强子是由夸克组成的理论以新的支持,从而使人们对研究量子色动力学的信心大为增强。

1974年,乔奇和格拉肖在弱电统一理论和量子色动力学的基础上,又提出了大统一理论。这个理论认为存在一种统一的相互作用,在低能范围内,表现为弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用;而在高能范围内,它们就统一了起来。这一理论有较大进展,但尚无实证。

现在已知的夸克共有36种,发现的轻子和反轻子共有12种,如果认为夸克和轻子是基本粒子,则总数已达48种。进一步考虑,夸克和轻子间有什么联系,它们又是由什么“基元”组成的,这就是所谓的亚夸克问题。这一理论近年来也取得了一些进展,但主要问题仍然缺乏实验证明。

总之,粒子物理学发展十分迅速,成绩也很突出,但最终答案似乎还距离我们很远。不过人们还是在进行着不懈的努力,以便最终建立起一个有关相互作用力和物质微观结构的大统一理论。