第二节 粒子物理学的发展
一、粒子物理 (高能物理)
研究场和粒子的性质、运动、相互作用和相互转化规律的学科，也是研究粒子内部结构规律的学科，是当代物理学发展的前沿。
二、粒子物理的工作
1.实验研究
主要是通过高能粒子的相互碰撞，用实验手段发现新粒子。到目前已经发现了300多种。
采用的试验设备有加速器、对撞机、探测器、计算机和数据处理系统。
2.理论基础是量子场论，是解释微观现象的基本理论。
三、粒子与反粒子；强子与夸克
1.粒子
粒子是原子核之下的一个层次。由于不同的粒子参与不同的相互作用，按它们的主要相互作用，可以将粒子分为三类：
规范粒子：是传递相互作用的粒子，有光子γ等四种。
轻子：不参与强作用而参与弱作用和电磁相互作用，自旋均为1/2的粒子，轻子必定以粒子与反粒子对的形式生成湮灭。电子等6种是轻子，加上它们的反粒子，轻子共12种。
强子：一切参与强相互作用的粒子统称为强子。质子和中子就是强子。自旋为零或整数的强子称为介子，（如π介子、K介子），自旋为半整数的强子称为重子（如质子、中子、Σ超子）。
2.反粒子：反粒子的质量、寿命、自旋等与粒子相同，而电荷等相加性量子数与粒子异号。
而首先从理论上预言反粒子存在的人，是英国人狄拉克（1902-1984）。25岁时狄拉克对量子力学就做出了令人瞩目的贡献。此后他致力于建立相对论性电子理论。终于他提出了著名的狄拉克方程。该方程不仅简洁、优美，而且还能解出实验的自旋值和磁矩值，精细结构，将量子力学中的康普顿散射、塞曼效应等事实，通过相对论电子理论统一起来。
但方程给出的态比实验情况的态多一倍。在这样的情况下，狄拉克大胆预言，自然界中可能存在正电子。两年后，美国物理学家安德森从宇宙射线中发现了正电子。狄拉克的发现，说明了物理学的发现可以有多种不同方法和途径。
1955年赛格雷、张伯伦在高能加速器上获得了反质子，1956年发现反中子。
1959年，我国科学家王淦昌发现了反西格马负超子（）。人们又开始想到能否用反质子、反中子、正电子，组成一个反原子。
1995年开始，欧洲粒子研究中心的科学家，在（LEAR)低能反质子环中，产生了9个反氢原子，虽然它们存在的时间仅为三亿分之四秒，但是，却将人们对物质的认知领域大大扩展了。
3.强子与夸克
1964年，美国物理学家盖尔曼提出强子由夸克组成。
1965年，中国科学家提出强子是由层子组成。
科学家预言有六种夸克存在，即上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克，并都被一一证实。
4.丁肇中与里希特发现J/ψ粒子
1974年12月，美籍华人丁肇中、美国人里希特分别宣布发现了一个新粒子，它的质量为质子的3倍多。然后，由J/ψ粒子的奇特性质，人们又进一步证实了它是由粲夸克和反粲夸克组成，从而第一次从实验上证实了粲夸克是存在的。1976年，他们两人共获诺贝尔物理奖。
1994年，费米实验室几百名科学家经过八年努力，利用长6.4公里的加速器，发现了顶夸克，夸克理论得到进一步验证。人们认识到组成物质的最小微粒，已不是原子、原子核，而是：
四、θ-τ疑难与杨振宁、李政道
1.杨振宁、李政道简介
杨振宁：1922年9月生于安徽合肥，父亲是清华大学数学教授。从小学到大学，成绩始终拔尖，对数学、物理特别有兴趣。1944年，毕业于西南联大后，前往美国芝加哥大学深造。
李政道：1926年11月生于上海，父母均是知识分子，不仅聪明过人，而且学习刻苦，1946年，不满20岁就考取美国芝加哥大学研究生。
李政道 杨振宁
1946年，杨、李二人听费米的课，费米很赏识杨、李二人。1949年杨振宁到普林斯顿研究所工作，1951年李政道也来到普林斯顿。1956年提出宇称不守恒定律，1957年同获诺贝尔物理奖和爱因斯坦科学奖。杨、李多次回祖国探亲、讲学，提出许多带有建设性的意见。
2.θ-τ疑难
1953年，人们观察到，一种θ介子可以衰变成两个π介子，而 τ介子可以衰变成三个π介子，就宇称而言，他们应是不同粒子，但人们对θ介子、π介子作了反复的研究，认定它们质量、电荷都相同，应为同一种粒子，这就是θ-τ疑难。
3.在弱相互作用中，宇称不守恒
杨振宁、李政道大胆提出在粒子的弱相互作用中，宇称不一定守恒，θ粒子和τ粒子可能是同一种粒子。
4.吴健雄的实验验证
吴健雄做了极化钴60原子核β衰变实验，将钴60置于0.01K的低温环境中的磁场内，实验说明了β衰变规律宇称不守恒，使杨、李的观点得到了验证，打破了人们的传统观念。
五、粒子对撞机等实验手段的增强
为了探测更深层次的物质结构，人们又设计了对撞机。对撞机的能量利用效率高，能适应发现新粒子的需要。欧洲粒子研究中心在1982年建成的质子、反质子对撞机，能量为2.7×1011电子伏＋2.7×1011电子伏，成功地发现了波色子和。
