从原子到夸克

 人类的求知欲和好奇心总是驱使着自身去了解周围的世界。这自然要遇到这样一个基本问题:世间万物是怎样来的?假如不是无中生有,那么必定是从某些原初物质创造出来的,这些原初物质是什么?     

顶夸克的发现

 今年3月2日,在美国费米国家实验室举行的报告会上,CDF和D0两个实验组分别报告了他们的实验结果,正式宣布发现顶夸克(Top Quark,也称t夸克)。     

寻找顶夸克的漫长过程

本文描述寻找顶夸克的漫长过程。从70年代末开始,美国的PEP,德国的PETRA,80年代日本的TRISTAN,欧洲核子中心CERN的SP PS质子反质子对撞机,90年代的CERN的LEP大型电子正电子对撞机,最后于1997年才由美国费米国家实验室的D0和CDF国际合作组找到了顶夸克存在的证据,并给出了顶夸克的质量为:174.3±3.2±4.0GeV。人们可以从这段历史获得有益的启示。     

物理上一个新的发现——宇宙由三代基本组份构成

 最近美国斯坦福直线加速器中心的SLC和西欧联合核子中心LEP相继宣布他们的实验结果,都表明宇宙中有三种中微子,即电子型中微子、μ型中微子和τ型中微子.这一结果已在粒子物理学界引起震动.以至于有人认为这一发现可望获得诺贝尔奖金.这一发现的意义是什么呢?让我们从基本粒子的家族说起.半个世纪以来,人们对构成宇宙的基本物质成份的认识有很大的变化,从质子、中子、电子为主体的基本粒子简单家族,陆续发展为有数百种粒子庞大的基本粒子家族.六十年代初的实验事实揭示了众多的基本粒子并不基本,并有其内部结构.所以人们已不再使用基本粒子这一名词,而统称为粒子.故通常将高能物理学又称为粒子物理学.     

高能核物理前沿：探寻夸克-胶子等离子体

对于我们身处的物质世界,现代物理学认为它是起源于约150 亿至200 亿年前的一次宇宙大爆炸。在宇宙的早期,物质的温度和密度都相当大,整个宇宙体系达到平衡。初始的宇宙间只有正反夸克、轻子、胶子等一些基本粒子形态的物质。     

封面说明

正今年是盖尔曼(Murray Gell-Mann)提出夸克模型50周年,本刊今年的封面即以此为题.强子(包括重子和介子)曾经被看成基本粒子.随着粒子物理学的进展,从高能电子在核子上的散射实验,认识到强子并不"基本";与轻子不同,强子是有内部结构的.强子可根据SU(3)对称性进行分类.1964年,盖尔曼和G.兹维格提出,与SU(3)对称性的基础表示对应的3种粒子是构成一切强子的构造单元,并从文学作品中借来名字"夸克"(英文原义为乌鸦的叫声).夸克的电荷是电子电荷的1/3或其倍数.重子由3     

物质结构在夸克-轻子层次上的动力学规律和研究发展趋势

文章综述了粒子物理中标准模型理论的历史发展、面临挑战以及未来的发展趋势.目前阶段物质结构最小组成单元是夸克和轻子,量子色动力学是描述夸克-胶子之间强相互作用的基本理论,它具有渐近自由和夸克禁闭的特点.量子色动力学和电弱统一理论一起构成粒子物理中标准模型理论.标准模型理论成功同时也面临两大挑战：对称性破缺的本质和夸克禁闭难题,这意味着标准模型理论需要发展和突破.人们期望粒子物理学、天文学和宇宙学交叉发展联手解决物质结构和早期宇宙研究中面临的难题,最终揭示超出标准模型的新物理规律.     

物质结构在夸克-轻子层次上的动力学规律和研究发展趋势

文章综述了粒子物理中标准模型理论的历史发展、面临挑战以及未来的发展趋势.目前阶段物质结构最小组成单元是夸克和轻子,量子色动力学是描述夸克-胶子之间强相互作用的基本理论,它具有渐近自由和夸克禁闭的特点.量子色动力学和电弱统一理论一起构成粒子物理中标准模型理论.标准模型理论成功同时也面临两大挑战:对称性破缺的本质和夸克禁闭难题,这意味着标准模型理论需要发展和突破.人们期望粒子物理学、天文学和宇宙学交叉发展联手解决物质结构和早期宇宙研究中面临的难题,最终揭示超出标准模型的新物理规律.     

揭示物质结构之谜

 一、物质构成之谜--一个古老而年轻的哲学命题望着茫茫大海、巍巍山峦,自古到今,有多少人在思考:世界万物是由什么构成的?它有最小结构吗?如果有,那是什么呢?早在周代,我们的祖先就提出了五行说,即万物由金、木、水、火、土五种物质原料构成。《周易》中有“太极生两仪,两仪生四象,四象生八卦”的哲学思想。     

重轻子理论的先驱──蔡永赐

 题图：１９９９年９月于ＳＬＡＣ,从左至右蔡永赐,潘诺夫斯基,郑志鹏．与世界上设立的名目繁多的奖励相比,诺贝尔物理学奖无疑最具公正性和权威性。从１９０１年至２０００年,该奖获得者共计１６２人次。几乎可以说,所有获奖人无一不是获奖领域的先驱者和开拓者,其物理学成就都是经得起历史检验的,都无愧于诺贝尔物理学奖这个至高无上的科学荣誉。然而,诺贝尔物理学奖却令人遗憾地未能做到“四海无遗珠”。除了以前引起过议论的一些例子之外,这里介绍的对重轻子（即ｒ轻子）理论做出了开拓性贡献的蔡永赐（Ｙｕｎｇ－ｓｕＴｓａｉ）教授,也成了诺贝尔物理学奖的一颗“遗珠”。     

银河系宇宙线的超新星遗迹起源学说

 20世纪初，随着人们对空气电离度测量精度的不断提高，大气电离现象被普遍观测到并被归因于放射性元素衰变产生的高能辐射。1911~1913年奥地利物理学家维克托·赫斯（Victor Franz Hess）通过一系列高空气球实验发现了来自外太空的可以导致空气电离的辐射--宇宙线^①，他也因此获得了来自于河外高能天体源。能量低于109eV （1GeV）的宇宙线由于受太阳风的影响，很难到达地球附近。由太阳活动产生的高能粒子的能量通常也低于1 GeV⑦，因此在地球附近观测到的能量低于1 GeV的高能粒子主要产生于太阳系。虽然银河系中很多高能天体都可以产生宇宙线，但是超新星遗迹被普遍认为是最主要的银河系宇宙线源。这就是所谓的银河系宇宙线的超新星遗迹起源学说。1936年的诺贝尔物理学奖（图1（a））。20世纪30年代，人们通过对来自地球东西方向宇宙线流量不对称性的分析，逐渐认识到它们主要是由带正电的高能粒子组成，受地球磁场影响，来自西方的宇宙线流量更高。后来的一系列研究表明，99%的宇宙线是原子核，其中约10%为α粒子即氦核，更重的原子核占1%左右。考虑到宇宙线的高流量，1934年巴德（W.Baade）和兹维基（F.Zwicky）指出，它们可能来自于超新星爆发^②。由于宇宙线粒子带电，在星际介质中传播时将受到星际磁场的影响，因此地球附近观测到的宇宙线空间分布几乎是各向同性的，这也导致我们无法通过对宇宙线的成像观测来确定宇宙线源。但是宇宙线可以和背景等离子体相互作用产生从射电到伽马射线的电磁辐射，随着射电天文、X射线天文、伽马射线天文的发展，人们不仅发现了超新星爆发产生宇宙线的观测证据，还发现了其他一些可以产生宇宙线的高能天体^③~⑥。     

Z‘和τ的轻子昧破坏衰变

许多超出标准模型的新物理预言了非普适规范玻色子Z’的存在．此新粒子可产生许多新的物理现象．本文计算了顶色辅助的人工色(TC2)模型和味普适TC2模型预言的非普适规范玻色子Z’对τ的轻子味破坏衰变过程τ→liγ，τ→liljlk的贡献．结果表明，在整个参数空间内，过程τ→liljlk的分支比比τ→liγ的分支比大．在适当的参数空问内，分支比Br(τ→liljlk)可达到10^-8．因此，在将来的高能实验中有可能探测到此新物理效应．     

CERE实验产生出夸克-胶子等离子体

 ＣＥＡＮ计划于今日（２月１０日）公布“有力的证据”,表明ＣＥＲＮ的科学家们已经创造了预言在大爆炸后不久就一直存在着的物质的夸克－胶子等离子态．如果这一结果得到证实,那将是人类首次在实验室条件下观测到大爆炸之后最初三分钟的情况,那是组成原子核的质子和中子产生的时刻．这样的‘核子’是由两类基本粒子组成的：夸克和将夸克结合在一起的力的载体──胶子．但是,人们从未探测到自由夸克,理论预言它们只存在于一种非约束态中,要么是在这一浪小的时间窗口上,要么是在很高能量的重离子对撞时的能量密度上．量子色动力学预言,在这样的能量上,夸克和胶子非束缚地共同存在于等离子体中．     

t →cγ and t →cg in Local Gauged Baryon and Lepton Numbers

In this paper, we calculate the top quark rare decays t →cγ and v in an extension of the standard model, where baryon number and lepton number are local gauge symmetries. Adopting reasonable assumptions on the parameter space, we find that the branching ratios of t →cγ and t →cg can reach 10^-6 and 10^-5 respectively, which can be detected in near future.     

Tau-Charm粒子工厂

所谓“Tau-Charm(τ-C)粒子工厂”，是在低背景条件下极大量地产生τ轻子和c(粲)粒子的加速器以及相关实验装置的总称。具体说，它包括一个工作能区З——5GeV、峰值亮度～10^33cm^-2s^-1的双环e^+e^-对撞机和相应的高性能实验谱仪.τ-c粒子工厂主要用来研究我们至今知之不多的三个费米子τ、vτ轻子与c夸克的物理学。     

轻予核物理：话旧论新

轻子与原子核概述 近百年来,人们对构成物质世界基本“砖块”的认识不断发展深化。从原子到原子核,再到核子内的夸克（图1）。这些认识大多是通过散射实验获得的,如用从加速器出来的高速质子或电子（通称探针）轰击靶粒子。这里感兴趣的是通过电子探针来探测原子核的结构和性质。     

高能e+e-物理成就与展望（二）

 六、发现τ轻子餐夸克发现以后,在物质的两类基本组成单元--夸克和轻子之间形成了一个对称的图象:两对轻子,即电子和电子型中微子(v_?)、μ子和μ子型中微子（v_μ）,对应于两对夸克,即上（μ）和下（d）、粲（c）和奇异（s）.它们可以分为两“代”:第一代是u,d,e,v_a,第二代是c,s,μ,v_μ.两代成员依次一一对应,对应的成员具有相同性质,区别主要表现在质量上面,第二代的比第一代的大.     

世纪交替期物理学的两大困惑

 物质结构的新层次夸克禁闭相互作用的规范理论 电磁场相互作用的规范理论 扬米尔斯场对称性自发破缺 希格斯机制困惑与方向     

在LHC上寻找希格斯粒子

大型强子对撞机(Large Hadron Collider,简称LHC)2010 年3 月开始运行,对撞能量为7TeV,这是设计能量14 TeV 的一半。瞬时亮度从10²⁷cm^-2s^-1迅速上升,2010 年底达到10³²cm^-2s^-1,2011 年底达到10³³cm^-2s^-1,积分亮度有5/fb, 超过原来的预期。LHC 进入出成果阶段。