粒子物理学

中华人民共和国成立以前，只有少数的中国粒子物理学家在国外做出过出色的工作。而在国内，这方面的系统研究还是一片空白。中华人民共和国建立前后，彭桓武、张宗燧、胡宁、朱洪元等物理学家陆续回国，使当时国际上蓬勃发展的粒子物理学研究在国内开展起来。中国物理学家在粒子物理学领域的研究工作主要集中在基本粒子理论和宇宙射线粒子的实验研究方面。

在基本粒子理论研究方面，北京大学胡宁于 1954 年发表了《由高能核子碰撞而产生的介子簇射》一文，提出了一种简化的模型以及与之相配合的场论方法，计算出反应产物的平均横动量、非弹性系数、多重度和角分布等性质的定量结果，能较好地描述喷注现象的主要特征。4 年之后，国外才提出运用了类似的物理概念并且产生了较大影响的“火球模型”。1956 年 3 月，中国成为由中国、波兰、南斯拉夫、罗马尼亚、捷克斯洛伐克等

国成立的联合原子核研究所（简称联合所）的成员。自 1956 年冬季起，中国科学院先后选派了王淦昌、胡宁、朱洪元、张文裕、周光召、何祚庥、吕敏、方守贤、丁大钊、王祝翔等 130 余人参加了联合所的研究工作。王

淦昌于 1956 年 9 月到联合所工作，1959～1960 年兼任副所长。他根据当时面临的各种前沿课题，提出两个研究方向：(1)寻找新奇异粒子；(2)系统研究高能核作用下各种基本粒子（π，■，■⋯⋯）产生的规律性。他领导的研究小组利用10G■V 的质子加速器和他们自制的容积为24L 的丙烷气泡室，收集了大量的数据与核反应事例。1959 年 3 月 9 日，他们从 4 万张照片中发现了反西格马负超子（■）。这是在高能π介子核反应中首次观察到有反粒子产生、衰变和衰变产物湮没等的完整图象。

周光召是在联合所工作期间做出重要贡献的另一位中国物理学家。他的《关于赝矢量流和重介子与介子的轻子衰变》论文，是最早讨论赝矢量流部分守恒（PCAC）的文章之一。他所提出的弱相互作用中的部分赝矢流守恒律，直接促进了流代数理论的建立，是对弱相互作用理论的一个重要推进。为了适应分析高能散射振幅和当时的雷吉（Regge）理论的需要，周光召第一次引入相对论螺旋散射振幅的概念和相应的数学描述，对“相对性粒子螺旋态”理论的提出做了开创性的工作。他还提出了时间、空间、

电荷共轭联合变核守恒下的正粒子和反粒子的总寿命相等，但在时间反演破坏时分枝比可以不相等的严格证明。1958 年，朱洪元领导的研究小组从普适弱相互作用中的 V-A 理论出发，讨论了介子和超子的衰变过程，并探讨了μ■介子在质子上的辐射俘获过程。他们发现了一个严格的选择定则，即当始态的μ■介子和质子组成自旋为零的 S 态时，μ■的辐射俘获不会发生，只有当强作用的重整化效应存在时，才会发生μ■的辐射俘获。1960 年，朱洪元阐明了μ■的辐射俘获不会发生的原因。他认为，在这个过程中，V■A 理论经变换后起作用的是标量及赝标量，它们禁戒了辐射俘获过程在自旋为零的 S 态中发生。朱洪元于 1959～1961 年，也在联合所工作。他利用色散关系对π介子之间及π介子与核子之间的低能强相互作用进行了深入的研究，并与其合作者发现当时流行的角动量分波展开引入了很大的误差，指出其中隐含有发散困难。从而否定了 1959 年国际高能物理会议上提出的关于这个问题的研究方案，并推导出不含发散积分的π-π及π-N 低能散射方程。1965 年，朱洪元首先将强子内部运动波函数及在动力学过程中强子内部运动波函数由于质心运动而引起的相对论性变换，以及相应于不同终态强子的波函数的重叠积分概念引入粒子物理的对称性研究中，并与胡宁、何祚庥、戴元本等合作建立了关于强子结构及强子过程的“层子模型”。参与这一研究工作的中国物理学家有 30 多人，“层子模型”理论的重要思想发表在题为《强相互作用粒子结构的相对论性模型》的论文中。这一理论突破了通常对称性理论中局限于静态力学量的研究，通过强子内部结构波函数及波函数的重叠积分，对一系列强子的电磁性质、电磁过程和弱作用过程做出统一的解释。这一批研究成果与当时国际上刚刚提出的夸克模型等研究工作一起，开辟了粒子物理理论中强子结构的研究领域。

1978～1988 年，中国科学院理论物理研究所张肇西、黄朝商等进行了微扰 QCD 应用的研究，主要是应用微扰 QCD 研究以下几个方面的问题：(1) 强子碰撞直接产生重夸克偶素，这是世界上第一次提出一种强子直接产生重夸克偶素的机制；(2)计算喷注行为从而理解强子化的粒子多重数；(3) 利用非常普遍的归一化条件首先从理论上得到 EMC 效应小■x 区域行为的趋势，并为实验所证实；(4)应用重整化群和算子乘积展开方法，计算微扰QCD 对 m■＞m■非轻子衰变有效拉氏量的修正，计算形状因子、J/ψ→γ

■和 I■■介子衰变到光子加 I■■介子等遍举过程；(5)计算高扭曲算子的反常量纲矩阵，并使之对角化。1982～1990 年，张肇西、周邦融等进行了“关于夸克、轻子复合模型”的研究，讨论了把引力排除在外、但包含可能的全部不破缺的规范相互作用 G×SU■(3)×U■(1)的大统一，分析了G■SU■(4)最小 SU(7)的统一方案，结果表明复合大统一方案在排除引力的情况下是难以实现的。这项研究还论证了夸克-轻子族间的规范成分主对称性可以存在，可以起源于夸克-轻子的复合性。基于超色 G■SU■(4)相互作用，显示构造了一个具有族规范 SU■(2)对称的复合模型；还尝试构造具有族分立 Z■对称，但基于超色 SU■(3)的超对称复合模型。首次提出利用复合模型中出现的高维色费米子的凝聚来替代 Higgs 机制的思想，取得一定的成功。

从 1983 年开始，朱伟、沈建国、邱锡钧、张肇西等研究核子内的夸克分布，指出 EMC 效应涉及到两个不同层次的夸克概念：当人们论述束缚态

核子内的夸克时，指的是组份夸克；而论述深度非弹性散射过程中的夸克则是指海夸克。他们提出核内组份夸克模型的初步理论，预言核内海夸克不可能增强。1986 年，BCDMS 国际协作组在第 24 届国际高能物理会议上公布的实验结果，支持了朱伟等人所提出的组份夸克模型。1990 年 5 月，美国费米实验室 E■国际协作组公布的实验结果证实，朱伟等人提出的核内组份夸克模型中所做出的预言是正确的，即核内海夸克没有增强。他们还进一步发展了胶子聚变机制和阴影-反阴影理论，提出了核内阴影与反阴影共存的观点。80 年代中期，程开甲将他在 40 年代的研究工作进行延伸。他曾于 1946 年在《对自由粒子的狄拉克方程推导》一文中指出，仅在量子力学和相对论基础上，就可用正则运动方程推导狄拉克方程。通过进一步的研究，程开甲严格证明了只有自旋为零或（1/2）■的粒子才能满足正则运动方程。据此认为只有质子和轻子、介子系统才是上述意义上的、真正的基本粒子，并形成八重态。上述理论研究成果可能对于基本粒子分类会产生影响，但进一步的证实还需要更长时间的检验。在 1992 年第 26 届高能物理大会上，北京谱仪（BES）的代表宣布了找到ξ粒子的证据。ξ粒子是 1983 年发现的，由于这是一个新粒子，国际高能物理学界都希望 BES 来确认它是否存在。经过一年多的认真分析，他们从 900 万个 J/ψ衰变事例中找到了几十个ξ粒子的证据；不但在ξ衰变到 K■K■、K′■K°■中看到，而且在ηη道中也第一次看到ξ信号。这表明 BES 是一个较好的探测器，有较好的动量分辨和时间分辨，同时也说明了 BES 的数据分析水平是很高的。

自本世纪初发现宇宙射线以来，许多新的粒子都是首先在宇宙射线研究中发现的。宇宙线以它具有高能量、低强度的特点，成为粒子物理学家竞相研究的对象。

50 年代初，何泽慧研制作为宇宙射线测量器的核乳胶，使中国成为世界上少数几个能生产核乳胶的国家之一。1954 年，在王淦昌、肖健的领导下，中国近代物理研究所在云南落雪山建造了中国第一个高山宇宙线实验室。到 1957 年，已搜集了 700 多个奇异粒子事例，并进行了全面分析。其中 N■/N■（θ）的比值随能量上升而有明显的变化，反映 K、■对粒子产生截面在刚过阈能时随能量上升而显著增大；给出了在铅核和铝核中产生

■衰变事例的 P■值（P 为产生时的极化程度，γ为衰变时的不对称系数），在两种核中产生■粒子的 P■值的差别，说明■衰变时宇称不守恒的存在。

1958～1965 年，在张文裕的指导下，云南高山宇宙线实验室新设计制造了大云雾室。1972 年，就在这套装置上发现了一个质量约为质子质量 10 倍的可能是重粒子的事例。1977 年在西藏甘巴拉山 5500 米高度处建立了世界上最高的高山乳胶室。1980 年，日本东京大学等 7 个单位与中国科学院高能物理研究所组成中日合作的甘巴拉山研究组，开展了 10■～10■■ V 超高能核作用的研究，获得了 3 个高度（3200 米、5500 米、6500 米）上的超高能γ特性、能谱、流强和衰减长度，得到在 10■■V 以上非弹性截面随能量 E■上升的规律，平均横动量值缓慢发生，并有大横动量喷流现象发生；找到了国际上唯一的多心结构低空超大型γ族事例以及高多重数的同心双环γ族现象。