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粒子物理学是研究什么的

　　粒子物理学是研究什么的如下：

　　粒子物理学，又称为高能物理学，它是研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质，

　　和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支。粒子物理学同时又是粒子量子化的粒子物理的大统一。

粒子物理什么时候学的

　　粒子物理是研究生一年级下学期学的，粒子物理学是研究组成物质和射线的基本粒子，以及它们之间相互作用的一个物理学分支。

　　由于许多基本粒子在大自然的一般条件下不存在或不单独出现，物理学家只有使用粒子加速器在高能相撞的条件下才能生产和研究它们，因此粒子物理学也被称为高能物理学。

　　实验粒子物理学通常借由大量产生对撞物理事件，进而分析物理现象。

　　早于CERN（欧洲核子研究组织）中期（1980年代），此领域便需要集结大量不同国籍之研究员，全球资讯网便是为了因应研究员沟通之便利而诞生。

　　因需要处理大量数据，如今此领域之研究发展也与电脑科学息息相关。

粒子物理学的发展阶段

　　 这个阶段可追溯到英国物理学家汤姆森1897年发现第一个基本粒子电子。

　　1932 年 J.查德威克在用a粒子轰击核的实验中发现了中子，随即人们认识到原子核是由质子和中子构成的，从而形成所有物质都是由基本的结构单元——质子 、中子、电子构成的统一的世界图像。

　　质子、中子、电子和A.爱因斯坦提出并被 R.A.密立根和 A.H. 康普顿等人实验证实的光子、沃尔夫冈·泡利假设存在的中微子（1956年最终被实验证实）以及P.A.M.狄拉克预言并被 C.D.安德森 1932 年在宇宙线中观察到的正电子都被认为是基本粒子或亚原子粒子。

　　在此阶段，理论上建立了量子力学，这是微观粒子运动普遍遵从的基本规律。

　　在相对论量子力学的基础上，通过场的量子化初步建立量子场论，很好地解决了场的粒子性和描述粒子的产生、湮没等问题。

　　随着原子核物理的发展，发现在相当于原子核大小的范围内除了引力相互作用电磁相互作用之外，还存在比电磁作用更强的强相互作用和介于电磁作用和引力作用之间的弱相互作用，前者是核子结合成核的核力，后者引起原子核的β衰变。

　　对于核力的研究认识到核力是通过交换介子而产生的，并根据核力的电荷无关性建立起同位旋概念。

　　 这个阶段的开始以1937年在宇宙线中发现μ子为标志。

　　μ子的发现 　1934年，汤川秀树为解释核子之间的强作用短程力，基于同电磁作用的对比，提出这种力是由质子和（或）中子之间交换一种具有质量（电子质量的200～300倍）的基本粒子──介子引起的。

　　1936年，C.D.安德森和S.H.尼德迈耶在实验上确认了一种新粒子，其质量是电子质量的207倍，这就是后来被称为μ子的粒子。

　　μ子是不稳定的粒子，它衰变成电子、一个中微子和一个反中微子，平均寿命为2×10-6秒，自旋为1/2。

　　汤川最初提出的介子的电荷是正的或负的。

　　1938年，N.J.凯默基于实验上发现的核力的电荷无关性的事实，发展了稍早些时候出现的同位旋的概念，建立了核力的S？S⑵对称性理论。

　　这个理论有两个重要的结果，一是除了带正负电的介子之外，还应当有不带电的中性介子，三种介子的质量应当相同；二是强相互作用的粒子可按同位旋分成一组组的多重态。

　　h介子和奇异粒子的发现 　1947年，M.孔韦尔西等人用计数器统计方法发现μ子并没有强作用，直接的证明是1948年由张文裕用云室研究 μ子同金属箔直接相互作用得到的。

　　1947年C.F.鲍威尔等人在宇宙线中利用核乳胶的方法发现了真正具有强相互作用的介子，其后，在加速器上也证实了这种介子的存在。

　　它们的质量约是电子质量的270倍，带有正电荷或负电荷，被称为π±介子。

　　1950年发现了不带电的π0介子。

　　μ子后来则和电子以及中微子归于一类，被统称作轻子。

　　从此以后人类认识到的基本粒子的数目越来越多。

　　就在1947年，G.罗彻斯特和C.巴特勒在宇宙线实验中发现了V粒子（即K介子），这就是后来被称为奇异粒子的一系列新粒子发现的开始。

　　由于它们独特的性质，一种新的量子数──奇异数的概念被引进到粒子物理中。

　　在这些奇异粒子中，有质量比质子轻的奇异介子K±、K0和 [粒子物理学] ；有质量比质子重的各种超子，包括Λ0、Σ±、Σ0、Ξ0和Ξ-等。

　　这些新发现的粒子，都是不稳定的粒子，除h0介子外（它的寿命是10-16秒），它们的平均寿命都在10-6～10-10秒之间，所以在地球上的通常条件下，它们并不存在，在当时的情况下，只有借助从太空飞来的高能量宇宙线才能产生。

　　这些发现了的基本粒子，加上理论上预言其存在，但尚未得到实验证实的引力场量子──引力子，按相互作用的性质，可分成引力子、光子、轻子和强子四类。

　　新粒子大发现和强作用SU⑶对称性的建立为了克服宇宙线流强太弱这个限制，从50年代初开始建造能量越来越高、流强越来越大的粒子加速器。

　　实验上也相继出现了新的强有力的探测手段如大型气泡室、火花室、多丝正比室等，开始了新粒子的大发现时期。

　　到了60年代头几年，实验上观察到的基本粒子的数目已经增加到比当年元素周期表出现时发现的化学元素的数目还要多，而且发现的势头还有增无已。

　　1961年，由M.盖耳－曼及Y.奈曼提出的，用强相互作用的SU⑶对称性来对强子进行分类的“八重法”。

　　八重法分类不但给出了当时已经发现的强子在其中的位置，还准确地预言了一些新的粒子，如1964年用气泡室实验发现的 Ω-粒子。

　　八重法很好地说明粒子的自旋、宇称、电荷、奇异数以及质量等静态性质的规律性。

　　在此阶段中，证实了不单电子，所有的粒子，都有它的反粒子（有的粒子的反粒子就是它自身，如h0、η等）。

　　其中第一个带电的反超子庙-是由中国的王淦昌等在1959年发现的。

　　此外，还发现了为数众多的寿命极短，经强作用衰变的粒子──共振态。

　　基本粒子大量发现，使人们怀疑这些基本粒子的基本性。

　　基本粒子的概念，面临一个突变。

　　这就是这个阶段终了时粒子物理在实验上的状况。

　　这个阶段理论上最重要的进展是量子场论和重正化理论的建立，以及相互作用中对称性质的研究。

　　量子场论和重正化理论的发展 　上一阶段对微观世界理性认识的最大进展是量子力学的建立。

　　经过一代物理学家的努力，量子力学能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收及辐射等等现象，特别是当它同狭义相对论结合而建立相对论性量子力学以后，它已经成为微观世界在原子、分子层次上的一个基本理论。

　　但是，量子力学还有以下几个方面的不足：①它不能反映场的粒子性；②它不能描述粒子的产生和湮没的过程；③它有负能量的解，这导致物理概念上的困难。

　　量子场论是由P.A.M.狄喇克、E.P.约旦、E.P.维格纳、W.K.海森伯和泡利等人在相对论量子力学的基础上，通过场的量子化的途径发展出来的，它很好地解决了这三个问题。

　　在量子场论领域中最早发展起来的是量子电动力学，它是把电磁场（光子场）和电子场都加以量子化，从而描述电子和光子的各种现象的一种理论。

　　40年代里，人们对这个理论中的发散困难作了深入的分析。

　　由于J.S.施温格、朝永振一郎、R.P.费因曼和F.J.戴森等人的努力，在解决这个问题上有了突破性的进展。

　　他们发现，如果重新定义理论中的质量和电荷，使之同实验的观测值相应，则量子电动力学中的无穷大结果不再出现。

　　这种消除无穷大结果的方法，叫做重正化理论。

　　它不但在原则上解决了量子电动力学中出现的发散困难，还提出了一整套按电子电荷的幂次展开的，直观的，用图形表示的逐级近似（微扰近似）的计算方法──费因曼图方法，使量子电动力学的计算有了简单可靠的、具有相对论协变性质的基础。

　　P.库什和H.M.福里1947年发现的电子反常磁矩，和由W.E.兰姆等发现的氢原子的2^2S1/2和2^2P1/2能级的分裂，只有通过量子电动力学的重正化理论才能得到正确的解释（见 μ子和电子回磁比和兰姆移位）。

　　今天，量子电动力学已经经受了许多实验上的验证，成为电磁相互作用的基本理论。

　　探索强作用的基本理论 　50年代初证明了重正化的方法，也适用于强相互作用的汤川理论。

　　但这无助于使汤川理论成为强相互作用的基本理论，因为按强作用耦合常数的幂次展开级数是不收敛的，对于弱相互作用理论则更困难。

　　1934年由E.费密提出的弱作用理论中，虽然耦合常数小，可以作微扰展开，而且在最低阶的计算得到很好的结果，但是，在高阶修正时出现的无穷大结果不能用重新定义质量和耦合常数的方法来消除，所以它是不可重正化的。

　　1954年，盖耳—曼，M.L.戈德伯格和W.梯令提出强相互作用的色散关系理论。

　　在50年代直到60年代初它有很大的发展，在强作用过程的现象分析方面，也曾得到一些好的结果，但经过十多年的研究，终于肯定色散关系不可能是强作用的基本理论，主要原因是它只包含对散射振幅的普遍要求，而缺乏强相互作用独有的特殊性的东西。

　　因而它只能是一种唯象分析手段。

　　沿着这个方向发展的还有雷其极点理论等。

　　它们在缺乏严格证明的情况下被推广于强作用的散射理论。

　　所得到的最重要的结果是：①基本粒子的自旋和质量有明显的规律性；②随着入射能量增加，二体散射截面在小角度处的变化具有特定的模式。

　　由于这些理论的出发点和缺点与色散关系大致相同，故它们的成就和存在的问题就同色散关系大致相仿。

　　相互作用中对称性理论的进展 　在当时，理论上另一重大的进展是相互作用中的对称性的研究（对称性和守恒律）。

　　如果量子场系统在一种对称变换下保持不变，则将对应着一种守恒量，例如在时空平移下不变，对应的守恒量就是能量和动量。

　　在50年代初期，普遍认为在各种相互作用中，都有着空间反射变换p、电荷共轭变换C和时间反演变换T的不变性，与此相对应，宇称和C 宇称应该是守恒的。

　　不过，这种观点，除了1955年由泡利在很一般的前提下，从理论上证明了CPT联合变换下量子场论的不变性以外，其他是没有从实验上或理论上被严格证明过的。

　　1955年，经过周密地对奇异粒子θ介子和θ介子的实验分析发现了θ-θ之谜。

　　1956年，李政道和杨振宁了解到，在弱作用中宇称守恒事实上并没有得到过实验上的证实。

　　他们提出，在弱作用中宇称是不守恒的，也不存在θ-θ之谜。

　　1957年，吴健雄小组在极化原子核60 Co的 β衰变的实验中，证实了宇称不守恒。

　　随后不久，宇称不守恒在其他的弱作用过程的实验中也得到了证实。

　　这些实验同时也证实了在弱作用中C宇称的不守恒。

　　1964年，J.W.克洛宁等人在长寿命K介子的衰变实验中，发现有2π终态的衰变，从而实验又证实了尽管单独的空间反射p和单独的电荷共轭变换C的不变性在弱作用中受到破坏，但是它们的联合变换Cp的不变性也遭到破坏。

　　随后认识到，这个实验事实上也证实了在弱作用中时间反演变换的不变性的破坏。

　　在弱作用中，与宇称不守恒的程度很大相反，Cp不守恒的程度是极为微弱的，其根本原因至今尚没有足够的了解。

　　发现大量新粒子，从而使基本粒子的基本性受到猛烈的冲击；确立了各种对称性在弱作用中的破坏和成功地提出了强子分类的SU⑶对称性；确定了量子电动力学作为微观领域中电磁相互作用的基本理论，但强作用和弱作用尚缺乏基本的理论，这就是在这个阶段终了时粒子物理学发展的概况。

　　 以提出强子 结构的夸克模型为标志。

　　1964 年 M.盖耳曼和 G.兹韦克在强子分类八重法的基础上分别提出强子由夸克构成，夸克共有上夸克u、下夸克d和奇异夸克s三种，它们的电荷 、重子数为分数。

　　夸克模型可以说明当时已发现的各种强子。

　　夸克模型得到后来进行的高能电子、高能中微子对质子和中子的深度非弹性散射实验的支持，实验显示出质子和中子内部存在点状结构，这些点状结构可以认为是夸克存在的证据。

　　1974年发现J/ψ粒子，其独特性质必须引入一种新的粲夸克c ，1979年发现另外一种独特的新粒子Υ，必须引入第5种夸克，称为底夸克b。

　　另一方面，1975年发现重轻子τ，并有迹象表明存在与τ相伴的τ中微子 ，于是轻子共有6种。

　　迄今的实验尚未发现轻子有内部结构。

　　人们相信轻子是与夸克属于同一层次的粒子。

　　轻子与夸克的对称性意味着存在第6种顶夸克t。

　　1994年4月26日，美国费米国家实验室宣布已找到顶夸克存在的证据。

　　这一阶段理论上最重要的进展是建立电弱统一理论和强相互作用研究的进展。

　　1961 年S.L.格拉肖提出电磁作用和弱作用的统一模型 ， 其基础是杨振宁和 R.L.密耳斯于1954年提出的非阿贝耳规范理论。

　　按照这一模型，光子是传递电磁作用的粒子，传递弱作用的粒子是W±和Z0 粒子 ， 但是W±、Z0是否具有静质量，理论上如何重正化问题没有解决。

　　1967～1968年在对称性自发破缺的基础上 ， S.温伯格 、A.萨拉姆发展了格拉肖的电弱统一模型，建立了电弱统一的完善理论，阐明了规范场粒子W±、Z0是可以有静质量的，理论预言它们的质量在80～100吉电子伏特（GeV） ，此外还预言存在弱中性流。

　　1973年观察到弱中性流，1983 年发现W± 、 Z0粒子，其质量（mW≈80GeV，mZ≈90GeV）及特性同理论上期待的完全相符。

　　关于强作用的研究 ，1973年 G.霍夫特、D.J.格罗斯等人发展了量子色动力学理论。

　　量子色动力学与量子电动力学一样，也是一种定域规范理论。

　　在这个理论中，夸克之间的强相互作用是由于夸克具有色荷交换色胶子而产生的 ，胶子没有静质量，但带有色荷。

　　强相互作用具有渐近自由的性质，即夸克之间的强相互作用并不是随着它们的距离增大而减弱，而是相反；当它们相距很近而处于强子内部时，相互作用很弱，可近似地看成是自由的，从而能够说明夸克 、胶子的禁闭性质、轻子对强子深度非弹性散射的异常现象以及喷注现象等。

　　在粒子物理学的深层次探索活动中，粒子加速器、探测手段、数据记录和处理以及计算技术的应用不断发展，既带来粒子物理本身的进展，也促进整个科学技术的发展；粒子物理所取得的丰硕成果已经在宇宙演化的研究中起着重要的作用。