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π介子

在强子层次上,原子核或强子物质的是核子和介子。 弄清这些强子的结构,并由基本原理出发研究它们的性质,是当代核物理的重要课题。 在各种介子中,π介子是最轻且最重要的介子。 关于自由空间中π介子的结构与性质、核介质内π介子的性质、π-核子相互作用与π-核相互作用等问题,始终受到相当多的关注。 π介子在核物理中的作用直接联系着手征对称性,汤川秀树关于π介子的最初概念已经大大发展了。 有清楚的实验证据表明,核内存在π介子的集体模式,这种集体模式与以前观测到的所有核集体运动模式截然不同。

不接受新粒子的情况下,大胆提出一种新的核力场理论,认为存在起强相互的π介子,介子理论的提出,推动了核物理研究的发展,文章简要记述了这一历史事件。介子属于强子,共由16种粒子,每个粒子都包括了一个夸克和对应的一个反夸克。

1935年由汤川秀树理论工作预测了作为强力的传递粒子-介子的存在。 从强核力(从原子核的半径推断)的范围,Yukawa预测了质量约为100 MeV的粒子的存在。 最初在1936年发现之后, muon (最初称为“mu介子”)被认为是这类粒子,因为它的质量为106 MeV。 然而,后来的实验表明,muon没有参与强的核相互作用。 在现代术语中,这使得muon成为一个平常的轻子,而不是介子。 然而,一些天体物理学家社区继续称之为“mu-meson”。

1947年,由塞西尔鲍威尔 ( Cecil Powell) , 塞萨尔 拉特(CésarLattes) , 朱塞佩奥卡里尼 ( Giuseppe Occhialini ) 等人的合作 ,发现了第一个真正的介子 ,在英国布里斯托大学 。 由于粒子加速器的出现尚未到来,高能亚原子粒子只能从大气宇宙射线获得 。 基于明胶银工艺的摄影乳液长时间放置在位于高原山脉的位置,首先在比利牛斯山脉的比杜尔山( Pic du Midi de Bigorre) ,后来在安第斯山脉的Chacaltaya ,那里的板块被击中宇宙射线在照相板的显影之后, 乳液的显微镜检查显示带电的亚原子粒子的轨迹。 首先通过它们的不寻常的“双介子”轨迹来确定它们的残留物,这些轨道被它们的衰变留在推定的介子中。 该粒子被鉴定为一个muon,在现代粒子物理学中通常不被分类为介子。

在1948年,Lattes, 尤金加德纳和他们的团队首先在加利福尼亚州伯克利的加利福尼亚大学的回旋加速器中人造生产了用高速α粒子轰击碳原子的圆片 。 Riazuddin进行了进一步的高级理论研究, Riazuddin在1959年利用色散关系将康普顿散射在虚拟光子上,分析其电荷半径。

这三个年轻人那时正在躲避德国人,因为德国人要把他们流放到德国去进行强制劳动。他们三个人躲在罗马的一个地下室中秘密地工作,他们发现,正μ介子和负μ介子在物质中受阻止时的行为不一样。正μ介子的衰变或多或少象在真空中一样,而负μ介子如果被重核所阻止,则被其俘获并产生蜕变,但当它们被象碳这样的轻核所俘获时,则它们的衰变大部份就象在真空中一样,这不是汤川粒子所应具有的特性,因为一旦介子距离原子核足够近时,特定的核力就应当产生蜕变,所以汤川粒子应当与轻的或重的原子核都发生剧烈的反应。实验证明情况并非如此,因此μ介子不大会是汤川粒子。

情况确实非常奇怪。汤川已经预言存在着质量约等于300个电子质量的粒子,有人也已找到了它们,但这种粒子却又不是汤川所预言的那种粒子。理论物理学家对康弗西、潘锡尼和皮西奥尼克的结果感到迷惑不解,而这些结果从实验观点来看,却又非常可靠。理论家们决心找出答案。日本的谷川、坂田和井上及美国的H.A.贝特和R.马沙克(R.Marshak),各自独立地提出了一个可以解决已存在的困难的假设。他们提出,观察到的μ介子是汤川介子的衰变产物,而尚没有人观察到汤川介子。作出吸引人的、看起来是合理的假设是一回事,而要确证一个事实又是另一回事了。

这时,一个新的实验技术,或者应当说一个老的实验的改进,为解决这个难题提供了一个有力的工具。早在第一次世界大战前,卢瑟福实验室的一位日本物理学家树下就已证明,通过照相乳胶的α粒子在它们的运动轨迹上留下了一组可显影的乳胶颗粒,所以人们能够看到粒子的轨迹。(我们可能会问:量子力学怎么办?测不准原理呢?粒子的波动性呢?读者可以放心,这些问题都有令人满意的解答,例如海森堡就曾作过详细的解释)树下用的乳胶仅对电离作用较大的粒子才灵敏,电子是探测不到的。经过科学家精密的计算与测量,π介子寿命极短,正常情况下是1/25000000000(二百五十亿分之一)秒,当π介子的速度相当接近光速时,它的寿命延长了30倍。


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