摘要

作為四大基本相互作用之一，強(qiáng)相互作用的研究可以追溯到19世紀(jì)末元素天然放射性的發(fā)現(xiàn)。在隨后將近一個世紀(jì)里，經(jīng)過眾多科學(xué)家的不懈努力，強(qiáng)相互作用的面紗逐漸被揭開。文章將簡要介紹與強(qiáng)相互作用相關(guān)的諾貝爾獎，并以此為載體梳理我們在探索世界的進(jìn)程中對強(qiáng)相互作用的認(rèn)知過程。

01 物質(zhì)相互作用及其認(rèn)知年代

當(dāng)前物理學(xué)認(rèn)為我們的世界中存在4種基本的相互作用，分別是引力相互作用、電磁相互作用、強(qiáng)相互作用和弱相互作用。由于相互作用的尺度不同，這4種基本相互作用被發(fā)現(xiàn)的時間也不盡相同，如表1所示。1687年，經(jīng)過長時間的研究并借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)與成果，牛頓在其《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中提出了萬有引力定律，成功地解釋了行星的運(yùn)動軌跡。

1915年，愛因斯坦提出了廣義相對論，賦予了引力幾何的本質(zhì)。1785年，庫侖在《電力定律》一文中給出了描述兩個點(diǎn)電荷之間相互作用力的庫侖定律。庫侖定律是電磁現(xiàn)象中的第一個定量公式，經(jīng)過后續(xù)實(shí)驗(yàn)和理論的發(fā)展，1865年麥克斯韋總結(jié)出麥克斯韋方程組，完成了電與磁的統(tǒng)一描述。

我們?nèi)粘Ｉ钪杏龅降膸缀跛鞋F(xiàn)象都可以用這兩種相互作用描述，但到了20世紀(jì)，我們漸漸遇到了這兩種理論無法解釋的現(xiàn)象——原子核結(jié)構(gòu)與中子衰變。對這兩個問題的研究使我們認(rèn)識到強(qiáng)相互作用和弱相互作用的存在。1934年，湯川秀樹和費(fèi)米分別提出了介子交換理論和四費(fèi)米子相互作用理論來解釋核子之間的作用力及中子的衰變。

這兩種理論經(jīng)過后續(xù)的發(fā)展與完善，最終在20世紀(jì)六七十年代發(fā)展成為量子色動力學(xué)(QCD)與電弱統(tǒng)一理論，構(gòu)成了標(biāo)準(zhǔn)模型的基石。

表1 四大基本相互作用最早表現(xiàn)形式及其發(fā)現(xiàn)的年代

在強(qiáng)相互作用發(fā)展的過程中，一大批科學(xué)家做出了很多里程碑式的工作并獲得了科學(xué)界最高的榮譽(yù)——諾貝爾獎。在第2和3節(jié)中我們將介紹與強(qiáng)相互作用相關(guān)的諾貝爾獎，了解這些工作的基本內(nèi)容和意義，并以此理清我們探索亞原子微觀結(jié)構(gòu)的歷史。第4節(jié)我們將簡要介紹強(qiáng)相互作用的研究前沿。

02 亞原子結(jié)構(gòu)

2.1 原子核

歐內(nèi)斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford，1871—1937)因?qū)υ厮プ兗胺派浠瘜W(xué)的研究獲得1908年諾貝爾化學(xué)獎。盧瑟福被稱為原子核物理、放射化學(xué)、原子物理之父。盧瑟福出生在新西蘭的一個農(nóng)場主家庭，在新西蘭獲得文學(xué)學(xué)士、文學(xué)碩士及理學(xué)學(xué)士之后，1895年進(jìn)入劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)，成為湯姆孫(Joseph John Thomson)的學(xué)生。

湯姆孫因發(fā)現(xiàn)電子而獲得1906年諾貝爾物理學(xué)獎。1898年，在湯姆孫的推薦下，盧瑟福赴加拿大麥吉爾大學(xué)任教。1907年，盧瑟福回到英國，任教于曼徹斯特大學(xué)并于1919年重返劍橋，接任湯姆孫的職位成為卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的第四位領(lǐng)導(dǎo)。

盧瑟福是一位杰出的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他秉持著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對待每個發(fā)現(xiàn)，做出了包括α，β射線的發(fā)現(xiàn)，元素的衰變，α粒子散射實(shí)驗(yàn)，原子的核式模型，質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)等等一系列意義重大的成果，相關(guān)介紹可參考文獻(xiàn)[1]。除了自己不凡的科學(xué)成就，盧瑟福還是一位偉大的科學(xué)導(dǎo)師。在他的學(xué)生、助手中，有10位獲得了諾貝爾獎，這是他人至今，恐怕也是永遠(yuǎn)，無法達(dá)成的成就。

2.1.1 α，β射線的發(fā)現(xiàn)

1895年，德國科學(xué)家倫琴在研究陰極射線的時候意外地發(fā)現(xiàn)了一種新的射線——X射線，X代表未知。這個發(fā)現(xiàn)，尤其是倫琴夫人手骨的照片，一經(jīng)公布便引起了極大的轟動——X射線就像一種可以透視的魔法。盧瑟福在湯姆孫的建議下進(jìn)行了X射線電離性質(zhì)的研究，這是當(dāng)時物理研究的大熱門。

1896年，法國科學(xué)家貝可勒爾發(fā)現(xiàn)了鈾的天然放射性，盧瑟福得知后便轉(zhuǎn)向了鈾的放射線研究。他發(fā)現(xiàn)在鈾的放射線中，有兩種穿透性截然不同的成分。1899年，他將鈾放射出的極易被吸收的射線稱為α射線，而將另一種具有更強(qiáng)穿透性的射線稱為β射線[2]。

雖然早期的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這些射線并不會被電磁場偏轉(zhuǎn)，也就是電中性的，但盧瑟福后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示α射線帶正電且與氫原子的質(zhì)量在一個量級。盧瑟福認(rèn)為α射線是帶有兩個正電荷的氦離子，但直到1908年他才提供了確鑿無疑的證據(jù)——α射線的光譜與1895年在太陽光中發(fā)現(xiàn)氦氣時看到的光譜一樣[3]。此外，他還將法國科學(xué)家維拉爾于1900年發(fā)現(xiàn)的鈾的第三種放射線稱為γ射線。這些名字沿用至今，仍是標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 放射性轉(zhuǎn)變

來到加拿大后，盧瑟福繼續(xù)開展放射性的研究。1900年，盧瑟福在研究釷(原子序數(shù)Z=90)放射線的電離性質(zhì)時，發(fā)現(xiàn)釷周圍的氣體同樣具有放射性，盧瑟福稱之為釷射氣。他對這種放射性氣體的化學(xué)本質(zhì)感到非常迷惑，這一年，一位英國的年輕化學(xué)家索迪進(jìn)入了盧瑟福的實(shí)驗(yàn)室鑒定這些放射氣體的本質(zhì)。最終他們經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確認(rèn)釷發(fā)生的變化為

他們將這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理發(fā)表，得到了一個在當(dāng)時看似不可思議的結(jié)論[4]——元素在放出射線之后會變成其他元素。長期以來，大家認(rèn)為原子作為構(gòu)成物質(zhì)世界的基本元素，是穩(wěn)定不變的。盧瑟福的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對這種觀念提出了挑戰(zhàn)，并因此獲得了1908年的諾貝爾化學(xué)獎。

2.1.3 原子的核式模型

湯姆孫在發(fā)現(xiàn)電子之后提出了原子的葡萄干—布丁模型——正電荷均勻地分布在整個原子中而電子就像布丁中的葡萄干一樣鑲嵌其中。盧瑟福最初是認(rèn)同這種模型的，“移動的電子，也就是構(gòu)成原子的組件，需要正電荷這樣的黏漿將其束縛在一起。”在盧瑟福研究了α粒子之后，他決定用α粒子轟擊金箔來看其散射分布，進(jìn)而驗(yàn)證這種原子模型——要么所有的α粒子都可以輕松地穿過金箔，幾乎不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，要么所有的α粒子都不能穿過金箔，如圖1(a)所示。

圖1 湯姆孫模型(a)和盧瑟福模型(b)中α粒子散射示意圖(圖片取自維基百科詞條“Rutherford”)

1908年，蓋革在盧瑟福的指導(dǎo)下得到了初步的結(jié)果。他們發(fā)現(xiàn)正如預(yù)期的那樣，所有的α粒子都穿過了金箔，而且都集中在很小的散射角內(nèi)。第二年，蓋革和盧瑟福的另外一個學(xué)生馬斯登繼續(xù)研究α散射實(shí)驗(yàn)。盧瑟福讓馬斯登看一下在大角度上是不是會探測到α粒子。

馬斯登的結(jié)果——約萬分之一的α粒子會出現(xiàn)大角度散射——讓盧瑟福大為震驚，“這是我一生中碰到的最不可思議的事情。就好像你用一顆15英寸的大炮去轟擊一張紙而你竟被反彈回的炮彈擊中一樣[5]。”為了解釋這種現(xiàn)象，盧瑟福提出了原子的核式模型——帶正電的原子核攜帶原子絕大部分質(zhì)量，卻只占據(jù)中心非常小的區(qū)域，而外圍絕大部分都是空的，如圖1(b)所示。盧瑟福推導(dǎo)了這種原子模型的散射截面，得到的盧瑟福公式可以很好地解釋實(shí)驗(yàn)中α粒子的角分布[6]。

原子的核式模型對后續(xù)認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。盧瑟福的學(xué)生玻爾在此基礎(chǔ)上加入量子化條件提出的行星模型成功解釋了原子光譜，促進(jìn)了量子力學(xué)的建立。

2.1.4 質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)

1919年當(dāng)盧瑟福用α粒子轟擊氮?dú)獾臅r候他在接收屏上發(fā)現(xiàn)了一個和氫原子一樣的信號。盧瑟福猜測是α粒子將氮原子核打成了碳原子核和氫原子核，用現(xiàn)在的記號來寫是

盧瑟福認(rèn)定這個過程是第一個人造的元素轉(zhuǎn)換過程——高能的α粒子可以將一個原子核打成質(zhì)量更小的原子核[7，8]。這個末態(tài)中和氫原子類似的帶電粒子被盧瑟福稱為質(zhì)子1)。

在發(fā)現(xiàn)質(zhì)子之后，盧瑟福又提出了中子的概念。當(dāng)時人們認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中看到的各種原子核是由帶電的氫原子核加電子組成的，比如N-14由14個氫原子核和7個電子組成。盧瑟福認(rèn)為原子核中的質(zhì)子和電子可能形成一種中性的深束縛態(tài)，即中子。1932年，盧瑟福預(yù)言的這種原子核中電中性的粒子被他的學(xué)生查德威克發(fā)現(xiàn)。

2.1.5 偉大的學(xué)術(shù)導(dǎo)師

弗雷德里克·索迪(Frederick Soddy，1877—1956)因?qū)Ψ派浠瘜W(xué)的貢獻(xiàn)以及對同位素本質(zhì)的研究獲得1921年諾貝爾化學(xué)獎。索迪曾在1900年至1907年跟隨盧瑟福開展放射性研究，發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì)可以通過放出放射線變?yōu)槠渌兀娛?1)。1913年他發(fā)現(xiàn)一種放射性物質(zhì)，即使具有完全相同的化學(xué)性質(zhì)，也可以具有不同的質(zhì)量數(shù)。索迪將它們稱為同位素[9]。

弗朗西斯·阿斯頓(Francis William Aston，1877—1945)因利用自己發(fā)明的質(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)大量非放射性元素的同位素以及提出的“整數(shù)法則(wholenumber rule)”而獲得1922年諾貝爾化學(xué)獎。阿斯頓和盧瑟福同為湯姆孫的學(xué)生，兩人在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室共度了很多時光，成為了非常親密的同事和知心朋友。第一次世界大戰(zhàn)之后阿斯頓回到卡文迪什實(shí)驗(yàn)室改進(jìn)了當(dāng)時鑒別粒子的儀器，提高了質(zhì)量的分辨率[10]。阿斯頓用自己設(shè)計(jì)的質(zhì)譜儀極大地拓展了盧瑟福和索迪開拓的同位素研究，研究了大約30種非放射性元素的同位素，精確地測量了它們的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)所有同位素的質(zhì)量都是氫原子質(zhì)量的整數(shù)倍。這些發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了人們對原子核結(jié)構(gòu)的理解。

尼爾斯·玻爾(Niels Bohr，1885—1962)因?qū)υ咏Y(jié)構(gòu)及輻射規(guī)律的研究而獲得1922年諾貝爾物理學(xué)獎。1912年，26歲的丹麥物理學(xué)家玻爾受邀來到曼徹斯特大學(xué)跟隨盧瑟福做博士后研究。玻爾以盧瑟福的原子核式模型為基礎(chǔ)，提出了行星軌道模型[11]，即外圍電子只能以特定頻率，特定軌道繞著原子核旋轉(zhuǎn)。電子可以在不同軌道之間躍遷，進(jìn)而吸收或放出相應(yīng)能量的電磁波。玻爾之所以提出這種直觀上很難理解的假設(shè)，是為了解決盧瑟福模型中致命的不足——帶電粒子做圓周運(yùn)動會釋放電磁波損失能量，這意味著所有的原子都是不穩(wěn)定的，與現(xiàn)實(shí)嚴(yán)重不符。同時，這種半經(jīng)典的軌道模型也可以解釋原子的離散光譜，促進(jìn)了后續(xù)量子力學(xué)的建立。

查爾斯·威爾遜(Charles Wilson，1869—1959)因發(fā)明可以顯示帶電粒子徑跡的云霧室而獲得1927年諾貝爾物理學(xué)獎。1896年，與盧瑟福同在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室工作的威爾遜發(fā)明了云霧室，在一個封閉容器內(nèi)，輸入純凈的乙醇或者甲醇蒸氣，通過降低溫度使蒸氣達(dá)到過飽和狀態(tài)，此時如果有帶電粒子射入，就會在路徑上產(chǎn)生離子，過飽和蒸氣會以離子為核心凝結(jié)成小液滴，從而顯示出粒子的徑跡。盧瑟福在湯姆孫的建議下進(jìn)行的X射線電離性質(zhì)的研究對認(rèn)識云霧室機(jī)理起到了重要作用2)。盧瑟福發(fā)現(xiàn)α和β射線后，威爾遜首先用云霧室觀察到并照相記錄了α和β粒子的徑跡。

詹姆斯·查德威克(James Chadwick，1891—1974)因發(fā)現(xiàn)中子而獲得1935年諾貝爾物理學(xué)獎。查德威克自本科開始就跟隨盧瑟福學(xué)習(xí)工作并于1913年獲得碩士學(xué)位，一戰(zhàn)后他在盧瑟福的指導(dǎo)下攻讀博士學(xué)位并在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室作為盧瑟福助手工作了超過十年。1930年德國的物理學(xué)家博特(Walther Bothe)與學(xué)生貝克用钚輻射出來的α粒子轟擊鈹核，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了一種未知的射線。1931年，法國的小居里夫婦(Frédéric and Irène Joliot-Curie)也觀測到了這種中性射線，他們誤認(rèn)為是高能光子。盧瑟福和查德威克不同意這種觀點(diǎn)，他們認(rèn)為這可能是之前盧瑟福所預(yù)言的中子。查德威克加班加點(diǎn)展開了中子的探測和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。僅僅兩周之后，查德威克就將自己的論文《可能存在的中子》[12]，寄給了Nature雜志。

奧托·哈恩(Otto Hahn，1879—1968)因發(fā)現(xiàn)重核裂變而獲得1944年諾貝爾化學(xué)獎。1905至1906年，哈恩曾在麥吉爾大學(xué)作為盧瑟福的助手開展工作，在此期間他發(fā)現(xiàn)了數(shù)個放射性元素的同位素。1939年，哈恩和他的學(xué)生Fritz Strassman利用中子激發(fā)鈾核，在末態(tài)探測到了鋇[13]。這和之前觀測到的α，β，γ衰變完全不同。后來經(jīng)Lise Meitner和Otto Frisch理論研究發(fā)現(xiàn)鈾核發(fā)生了劈裂變成了更輕的核[14，15]，這種裂變的現(xiàn)象對后續(xù)原子能的利用至關(guān)重要。

帕特里克·布萊克特(Patrick Blackett，1897—1974)因改進(jìn)了威爾遜的云霧室并用它研究了大量宇宙射線及核反應(yīng)中的粒子而獲得1948年諾貝爾物理學(xué)獎。布萊克特自1921年開始，在盧瑟福的實(shí)驗(yàn)室工作了十年。1925年他利用云霧室證明，盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的實(shí)驗(yàn)中發(fā)生的真實(shí)過程是式(3)而非式(2)[16]。1932年，布萊克特將威爾遜的云霧室與蓋革計(jì)數(shù)器連在一起，并用這種改進(jìn)的探測器發(fā)現(xiàn)了大量宇宙射線中的粒子，包括驗(yàn)證了正電子的存在，觀測到了正負(fù)電子對的產(chǎn)生等一系列重要的結(jié)果。

約翰·考克羅夫特和歐內(nèi)斯特·沃爾頓(John Cockcroft，1897—1967 & Ernest Walton，1903—1995)因在人工加速的粒子對原子核的嬗變方面進(jìn)行了開創(chuàng)性的工作而獲得1951年諾貝爾物理學(xué)獎。考克羅夫特與沃爾頓都是盧瑟福在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生。在盧瑟福用鐳放射的α粒子轟擊氮核得到質(zhì)子之后，他希望得到能量更高的粒子束流轟擊原子核得到更多的反應(yīng)過程進(jìn)而詳細(xì)探究核結(jié)構(gòu)。盧瑟福將這個任務(wù)安排給了考克羅夫特與沃爾頓等人。1932年，考克羅夫特與沃爾頓合作成功建造了一臺直流高壓加速器，取代了天然放射α粒子束流，第一次實(shí)現(xiàn)人工加速粒子產(chǎn)生的核反應(yīng)，開辟了粒子物理實(shí)驗(yàn)的新天地。

彼得·卡皮察(Pyotr Kapitsa，1894—1984)因?qū)Φ蜏匚锢眍I(lǐng)域基礎(chǔ)性的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)獲得1978年諾貝爾物理學(xué)獎。一戰(zhàn)之后卡皮察來到英國，在盧瑟福手下工作了14年并于1930年成為新成立的蒙德實(shí)驗(yàn)室主任，專門研究磁場。1934年他回到蘇聯(lián)探親，但蘇聯(lián)政府不允許他再回英國。盧瑟福給蘇聯(lián)政府去信交涉無果，卡皮察決定轉(zhuǎn)變方向，進(jìn)行低溫物理的研究。在盧瑟福的幫助下購買了蒙德實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)儀器，成立了物理問題研究所。

2.2 中子物理

恩里克·費(fèi)米(Enrico Fermi，1901—1954)因利用中子輻射發(fā)現(xiàn)新的放射性元素及發(fā)現(xiàn)慢中子更容易誘發(fā)核反應(yīng)而獲得1938年諾貝爾物理學(xué)獎。費(fèi)米是少有的在理論和實(shí)驗(yàn)兩方面都作出杰出貢獻(xiàn)的物理學(xué)家。理論方面，他的貢獻(xiàn)集中在統(tǒng)計(jì)物理、量子物理、核物理與粒子物理等領(lǐng)域。而實(shí)驗(yàn)方面，他用中子輻射誘發(fā)核反應(yīng)，領(lǐng)導(dǎo)建造世界上第一臺人工核反應(yīng)堆，參與美國建造原子彈的“曼哈頓計(jì)劃”等。

自1932年中子被查德威克發(fā)現(xiàn)之后，便成為研究核結(jié)構(gòu)的新工具。1934年人們發(fā)現(xiàn)某些原子核吸收α粒子之后會具有放射性。費(fèi)米決定將α粒子換作中子試試。中子不帶電，無需克服庫侖勢能就可以被原子核俘獲，進(jìn)而誘發(fā)核反應(yīng)。經(jīng)過一系列中子誘發(fā)的核實(shí)驗(yàn)，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)對于輕的原子核，中子所帶來的能量會被放出的質(zhì)子或α粒子帶走，而對于重核，更多的是釋放γ射線。

根據(jù)當(dāng)時的理論，重核俘獲中子之后進(jìn)而發(fā)生β衰變，Z將增加1。當(dāng)用中子轟擊鈾核的時候他們的確觀測到了這種現(xiàn)象——末態(tài)有很多粒子的半衰期與當(dāng)時已知的原子核都不一樣。于是他們宣稱發(fā)現(xiàn)了第93，94號元素。由于他們沒能將這些新元素分離出來，他們的發(fā)現(xiàn)受到了一些科學(xué)家的質(zhì)疑。

盡管如此，諾貝爾獎委員會還是因?yàn)橘M(fèi)米發(fā)現(xiàn)了兩種新元素而將1938年諾貝爾獎頒給了他。就在諾獎頒布的一個月后，哈恩等人發(fā)現(xiàn)了原子核的裂變現(xiàn)象[13]。很快費(fèi)米宣稱的兩種“新元素”就被證明是核裂變的產(chǎn)物，均為已知元素的同位素。

事后來看，盡管諾貝爾獎委員會給費(fèi)米的獲獎理由是錯的，但是應(yīng)該沒有人會質(zhì)疑費(fèi)米獲得諾貝爾獎的合理性——他在很多方面都做出了諾獎級的工作。20世紀(jì)20年代，β衰變中末態(tài)電子的能量是連續(xù)的這件事已經(jīng)確鑿無疑。為了理解這件事情，泡利假設(shè)末態(tài)除了質(zhì)子和電子外還存在一種電中性的質(zhì)量非常小的粒子，并將其稱為“中子”。

費(fèi)米接受了這種觀點(diǎn)并將其名字改為“中微子”。費(fèi)米還構(gòu)造了四費(fèi)米子相互作用來描述β衰變，該理論經(jīng)過后續(xù)包括李政道、楊振寧在內(nèi)的科學(xué)家的發(fā)展，逐漸演變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)模型中的弱相互作用理論。在統(tǒng)計(jì)物理領(lǐng)域，自旋為半整數(shù)的粒子就是以他的名字命名，即費(fèi)米子。

他分析了由費(fèi)米子構(gòu)成的理想氣體系統(tǒng)(即費(fèi)米氣體)，利用費(fèi)米—狄拉克統(tǒng)計(jì)來描述它們的狀態(tài)分布。在量子物理領(lǐng)域，費(fèi)米的黃金定則描述了不同能量本征態(tài)之間的躍遷率。此類種種，費(fèi)米對現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展舉足輕重。

2.3 核力及原子核結(jié)構(gòu)

湯川秀樹(Hideki Yukawa，1907—1981)因在理論分析核力時預(yù)言了π介子的存在而獲得1949年諾貝爾物理學(xué)獎。1932年中子被發(fā)現(xiàn)之后，人們漸漸意識到原子核由質(zhì)子和中子(統(tǒng)稱為核子)構(gòu)成。但是質(zhì)子帶正電，中子不帶電，他們不可能通過電磁相互作用束縛在一起形成原子核。費(fèi)米為描述β衰變提出的四費(fèi)米子相互作用非常之弱，根本不足以束縛核子[17]。1934年湯川秀樹引入一種新的相互作用來解釋核子之間的吸引力[18]。類似于帶電粒子通過交換光子實(shí)現(xiàn)電磁相互作用，核子通過交換介子實(shí)現(xiàn)相互作用，產(chǎn)生束縛力。湯川秀樹根據(jù)原子核的尺寸，r~1 fm(~10-15m)，估計(jì)出介子的質(zhì)量約為m～1/r～100 MeV。

塞西爾·鮑威爾(Cecil Powell，1903—1969)因?qū)ρ芯亢朔磻?yīng)過程的乳膠攝影方法的發(fā)展以及使用這種方法發(fā)現(xiàn)了π介子而獲得1950年諾貝爾物理學(xué)獎。湯川秀樹預(yù)言了傳遞核力的π介子之后，物理學(xué)家們就開始了對它的尋找。1936年繆子(μ)被發(fā)現(xiàn)，其質(zhì)量最高可到150 MeV，非常接近湯川秀樹的預(yù)言，所以一開始人們認(rèn)為這就是π介子。但后續(xù)的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)繆子并不參與核反應(yīng)。1939—1942年，兩位印度科學(xué)家玻色(Debendra Mohan Bose)和喬杜里(Bibha Chowdhuri)利用攝影感光片在印度的高海拔地區(qū)研究了宇宙射線[19，20]。他們在宇宙射線中觀測到了質(zhì)量約為200倍電子質(zhì)量的粒子。1947年，鮑威爾等人改進(jìn)了這種方法，獨(dú)立地在宇宙射線中觀測到了這種介子[21]。他們還發(fā)現(xiàn)這種介子參與了核子的相互作用，進(jìn)一步支持它就是湯川秀樹預(yù)言的π介子。

尤金·維格納(Eugene P. Wigner，1902—1995)因?qū)υ雍思盎玖Ｗ永碚摰呢暙I(xiàn)，尤其是基本對稱性原理的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，而獲得1963年諾貝爾物理學(xué)獎。維格納在理論物理和數(shù)學(xué)物理領(lǐng)域做出了重要的貢獻(xiàn)。他將對稱性廣泛地應(yīng)用在物理研究中，很多定理、概念都以他的名字命名，包括維格納—埃卡特定理(Wigner—Eckart theorem)、維格納定理、維格納分類、維格納d-函數(shù)、維格納6-j，9-j系數(shù)等等。20世紀(jì)20年代，維格納將對稱性引入剛建立的量子力學(xué)，得到了一系列重要的結(jié)果。到了30年代，維格納發(fā)現(xiàn)核子之間的相互作用在相距很遠(yuǎn)時非常弱，而靠近時又會急劇變強(qiáng)。他還注意到核子滿足的對稱性并不區(qū)分質(zhì)子和中子，進(jìn)而將核子束縛在一起的強(qiáng)相互作用對質(zhì)子和中子是一樣的。

瑪麗亞·梅耶和漢斯·延森(Maria Goeppert Mayer，1906—1972 & Hans Jensen，1907—1973)因發(fā)現(xiàn)原子核的殼層模型而獲得1963年諾貝爾物理學(xué)獎。在人們認(rèn)識到原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的之后，一個重要的問題就是原子核的各種性質(zhì)與其中質(zhì)子、中子數(shù)量之間的關(guān)系。由于缺乏描述核力的精確理論，人們根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了唯象模型來描述原子核的性質(zhì)。最初提出的液滴模型假設(shè)原子核是由質(zhì)子和中子在電磁力與核力的共同作用下形成的液滴，而整個液滴的能量由表面張力、體積、庫侖力、非對稱性、核子配對等5個方面決定。由此提出的貝特—魏茨澤克質(zhì)量公式(Bethe—Weizs?cker mass formula)可以很好地描述原子核的性質(zhì)，但是卻不能解釋“幻數(shù)(magic number)”的存在。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，具有某些特定質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)的原子核比較穩(wěn)定，維格納將這些數(shù)稱為“幻數(shù)”，包括2，8，20，28，50等等。為解釋這種現(xiàn)象，1949年梅耶和延森分別獨(dú)立地提出了原子核的殼層模型[22—24]。和原子中電子的排布類似，原子核中的質(zhì)子和中子也有不同的能級，每當(dāng)一個能級上的態(tài)被填充滿時，原子核就相對更穩(wěn)定。

奧格·玻爾、本·莫特爾松和里奧·雷恩沃特(Aage Bohr，1922—2009，Ben Mottelson，1926—2022 & Leo Rainwater，1917—1986)因發(fā)現(xiàn)原子核中集體運(yùn)動和核子運(yùn)動之間的聯(lián)系，以及基于這種聯(lián)系發(fā)展了原子核結(jié)構(gòu)理論而獲得1975年諾貝爾物理學(xué)獎。1949年提出的殼層模型解釋了原子核的“幻數(shù)”現(xiàn)象，但其得到的原子核的電四極矩與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符。1950年，哥倫比亞大學(xué)的雷恩沃特推測原子核作為一個整體，其形狀會受到內(nèi)部每個核子運(yùn)動的影響而不再是球?qū)ΨQ的[25]。A.玻爾當(dāng)時在哥倫比亞大學(xué)訪問，與雷恩沃特交流后更一般性地研究了這個問題，探討了單個核子的運(yùn)動對原子核整體運(yùn)動的影響。A.玻爾回到哥本哈根后與莫特爾松一起對比了理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)他們的模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，而且將殼層模型與雷恩沃特原子核形變的概念聯(lián)系了起來[26—28]。

2.4 天體核物理

漢斯·貝特(Hans Albrecht Bethe，1906—2005)因發(fā)展了核反應(yīng)理論，尤其是用核聚變反應(yīng)解釋恒星能量來源而獲得1967年諾貝爾物理學(xué)獎。貝特是一位著名的德裔美籍核物理學(xué)家。1933年納粹掌權(quán)后，貝特被解雇，他經(jīng)由英國于1935年移民美國，成為康奈爾大學(xué)的教授。1938年，貝特受邀參加一個關(guān)于“恒星能量如何產(chǎn)生”的研討會，他本無意參加這個自己不感興趣的會議，但泰勒(Edward Teller，被譽(yù)為美國氫彈之父)說服了他。會議上貝特了解到了太陽的溫度、密度、元素成分等信息。隨后貝特提出了兩種核反應(yīng)過程來解釋太陽的能量來源[29]：一種是兩個氫核變成一個氘核，氘核進(jìn)一步捕獲質(zhì)子變成4He放出能量；另一種是經(jīng)過碳核和氮核的催化，四個氫核變成4He并放出能量。它們分別被稱為氫—?dú)滏?p—p chain)和碳—氮—氧循環(huán)(CNO cycle)，如圖2(a)，(b)所示。經(jīng)過計(jì)算貝特發(fā)現(xiàn)，在太陽溫度附近，這兩種過程所占比例大致相同，溫度更低時前者主導(dǎo)，反之后者主導(dǎo)。貝特提出的上述核反應(yīng)過程成功地解釋了恒星能量的來源。

圖2恒星中的氫—?dú)滏?a)和碳—氮—氧循環(huán)(b)過程(圖片取自維基百科詞條“Proton-proton chain”和“CNO cycle”)

貝特作為一位著名的核物理學(xué)家，還做出了很多其他重要的工作，包括量子多體系統(tǒng)本征態(tài)參數(shù)化的貝特?cái)M設(shè)(Bethe ansatz)，核物理綜述三部曲——貝特圣經(jīng)(Bethe Bible)，蘭姆移位(Lamb shift)的解釋，兩體束縛態(tài)滿足的相對論性方程——貝特—薩佩特方程(Bethe—Salpeter equation)等等。貝特從18歲發(fā)表第一篇學(xué)術(shù)論文，直到90多歲還筆耕不輟，甚至去世后還有一篇合作文章發(fā)表。他曾經(jīng)的博士后戴森(Freeman Dyson)稱他為“二十世紀(jì)重要問題解決者”。

圖3宇宙元素豐度曲線[30]

威廉·福勒(William Alfred Fowler，1911—1995)因?qū)τ钪嬷行纬苫瘜W(xué)元素的核反應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究而獲得1983年諾貝爾物理學(xué)獎。宇宙中的恒星是由氣體和塵埃云形成的。當(dāng)它們被引力拉在一起時，重力勢能以熱的形式被釋放出來。當(dāng)達(dá)到足夠高的溫度時，恒星內(nèi)部的原子核之間開始發(fā)生反應(yīng)。這些反應(yīng)是恒星發(fā)光的原因。另一方面，在20世紀(jì)50年代，人們已經(jīng)測出了宇宙元素豐度的分布(其實(shí)是太陽中元素的豐度)，如圖3所示。從圖中我們可以看到如下一些特征：元素豐度隨著原子質(zhì)量的增加而指數(shù)降低；斜率在原子質(zhì)量大于100后快速降低；氘核、鋰、鈹、硼等豐度遠(yuǎn)小于他們鄰居；56Fe附近顯著的尖峰；一些雙峰結(jié)構(gòu)等等。這些元素是怎么由最初的氫元素形成的？為何會出現(xiàn)圖中所示的這些趨勢和特點(diǎn)？在著名的B2FH文章[30]中，福勒等證明了恒星中的核反應(yīng)可以解釋元素豐度曲線的這些特征，極大地促進(jìn)了我們對宇宙中元素的形成的理解。

2.5 核技術(shù)應(yīng)用

費(fèi)利克斯·布洛赫和愛德華·珀塞爾(Felix Bloch，1905—1983 & Edward Mills Purcell，1912—1997)因開發(fā)核磁共振精密測量的新方法，有效地研究了各種材料的成分而獲得1952年諾貝爾物理學(xué)獎。原子核中的質(zhì)子和中子就像小型的、旋轉(zhuǎn)的磁鐵，因此原子和分子在磁場中會定向排列。電磁場可以擾亂它們的指向，但根據(jù)量子力學(xué)原理，只能沿著特定的方向。當(dāng)核子回到原來的位置時，它們會發(fā)射特定頻率的電磁波，這些頻率取決于元素的種類。1946年，珀塞爾和布洛赫開發(fā)了精確的測量方法來研究材料的成分。這種方法如今已發(fā)展為非常成熟的技術(shù)，被廣泛地用于生產(chǎn)生活的各個方面。

伯特倫·布羅克豪斯和克利福德·沙爾(Bertram N. Brockhouse，1918—2003 & Clifford G. Shull，1915—2001)因發(fā)展中子頻譜學(xué)和中子衍射技術(shù)而獲得1994年諾貝爾物理學(xué)獎。20世紀(jì)四五十年代，隨著很多核反應(yīng)堆的建成，其輻射出的中子為人們提供了研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新探針。不同于X射線，不帶電的中子不會受材料中電子的影響而可以直達(dá)原子核。一方面，當(dāng)中子與材料中原子核碰撞時，中子的部分能量被轉(zhuǎn)化為晶格的振動。這些被稱為聲子的振動具有固定的能級，形成一系列能譜。20世紀(jì)50年代，布羅克豪斯開發(fā)了使用這些光譜分析不同分子和材料屬性的技術(shù)。另一方面，根據(jù)量子力學(xué)的原理，中子和其他粒子可以被描述為一種波的運(yùn)動，中子輻射通過有規(guī)律的原子結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生特定的衍射圖案。1946年，沙爾開發(fā)了新方法，利用這一點(diǎn)來確定不同分子和材料的結(jié)構(gòu)。中子頻譜學(xué)和中子衍射技術(shù)在后續(xù)的凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)等研究中發(fā)揮了極大的作用。

03 夸克與量子色動力學(xué)

3.1 質(zhì)子結(jié)構(gòu)

奧托·施特恩(Otto Stern，1888—1969)因?qū)Πl(fā)展分子射線法的貢獻(xiàn)及發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的磁矩而獲得1943年諾貝爾物理學(xué)獎。作為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，施特恩做出了很多著名的實(shí)驗(yàn)，包括最著名的施特恩—格拉赫實(shí)驗(yàn)——量子力學(xué)奠基實(shí)驗(yàn)之一。施特恩—格拉赫實(shí)驗(yàn)證實(shí)了原子角動量的量子化，但其實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直到烏倫貝克(G. Uhlenbeck)和古茲密特(S. Goudsmit)提出電子自旋的概念后才被完全理解。電子的自旋是1/2，其磁矩為，其中g(shù)為朗德g因子。電子為基本粒子，不考慮電磁相互作用的高階修正，g=2。質(zhì)子如果也是基本粒子，沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，理論預(yù)測其磁矩應(yīng)為。但施特恩測出的質(zhì)子磁矩卻是理論預(yù)測值的大約2.5倍，即μp?≈ 2.5μN(yùn)。這意味著質(zhì)子存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不可能是基本粒子。

羅伯特·霍夫施塔特(Robert Hofstadter，1915—1990)因?qū)﹄娮印雍松⑸溥M(jìn)行了開創(chuàng)性的研究，并由此發(fā)現(xiàn)了核子的結(jié)構(gòu)而獲得1961年諾貝爾物理學(xué)獎。被發(fā)現(xiàn)以來，核子是否是基本粒子一直是大家關(guān)心的一個問題。施特恩測量得到的質(zhì)子磁矩與點(diǎn)粒子嚴(yán)重偏離，說明質(zhì)子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。霍夫施塔特利用電子—質(zhì)子散射實(shí)驗(yàn)測量了質(zhì)子的尺寸約為0.7—0.8 fm，進(jìn)一步確認(rèn)了質(zhì)子不是點(diǎn)狀粒子(圖4)[31]。

圖4 電子能量為188 MeV時電子—質(zhì)子微分散射截面隨散射角度的變化[31]。假設(shè)質(zhì)子為點(diǎn)狀粒子，理論結(jié)果如曲線c所示，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在偏差

3.2 夸克模型與量子色動力學(xué)

唐納德·格拉澤(Donald Arthur Glaser，1926—2013)因發(fā)明氣泡室而獲得1960年諾貝爾物理學(xué)獎。威爾遜發(fā)明的云霧室可以讓我們觀察到帶電粒子的蹤跡。格拉澤在1952年發(fā)明的氣泡室使我們能夠研究具有更高能量的粒子。當(dāng)帶電粒子向前穿過充滿接近沸點(diǎn)的液體室時，它們所經(jīng)過的原子會被電離。當(dāng)室內(nèi)的壓力降低時，這些被電離的原子周圍會出現(xiàn)氣泡，然后我們可以對粒子的軌跡進(jìn)行拍照和分析。氣泡室的發(fā)明使人們探測到了更多的粒子，對強(qiáng)子譜的研究起到了重要貢獻(xiàn)。

路易斯·阿爾瓦雷茨(Luis Walter Alvarez，1911—1988)因?qū)玖Ｗ游锢韺W(xué)的決定性貢獻(xiàn)，特別是開發(fā)了使用氫氣泡室的技術(shù)和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)了大量的共振態(tài)而獲得1968年諾貝爾物理學(xué)獎。繼格拉澤的氣泡室之后，20世紀(jì)50年代后半期，阿爾瓦雷茨通過使用液態(tài)氫進(jìn)一步發(fā)展了氣泡室。他還開發(fā)了新的測量系統(tǒng)和基于計(jì)算機(jī)的方法來分析大量的數(shù)據(jù)，這使他發(fā)現(xiàn)了一大批以前未知的粒子。

默里·蓋爾曼(Murray Gell-Mann，1929—2019)因在基本粒子的分類(夸克模型)及其相互作用方面的貢獻(xiàn)而獲得1969年諾貝爾物理學(xué)獎。20世紀(jì)五六十年代，隨著氣泡室、氫氣泡室、粒子加速器的應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)了大量的“基本”粒子。截至1963年，粒子數(shù)據(jù)表[32]已經(jīng)收錄了近百個“基本”粒子，其中還包括很多不穩(wěn)定的共振態(tài)。人們很難相信這些粒子全部都是基本粒子。在蓋爾曼提出夸克模型之前，人們就試圖理解這些“基本”粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)而對它們進(jìn)行分類，包括1956年的坂田(Sakata)模型和1961年蓋爾曼與Yuval Ne’eman提出的八重法(eightfold way)。

1964年，在前人研究基礎(chǔ)上蓋爾曼和茨威格(GeorgeZweig)獨(dú)立地引入了夸克3)這種更基本的粒子來描述實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子。夸克承載了SU(3)群的基礎(chǔ)表示(3)，共三種味道，分別為上(u)，下(d)，奇異(s)夸克，其反粒子()承載SU(3)群基礎(chǔ)表示的復(fù)共軛表示。它們的量子數(shù)見表2。在夸克模型中，介子由一對正反夸克()構(gòu)成而重子由三個夸克(qqq)構(gòu)成。

表2 夸克的量子數(shù)，從上到下依次為自旋、電荷量、同位旋、同位旋第3分量、奇異數(shù)和重子數(shù)

丁肇中和伯頓·里克特(Samuel Chao Chung Ting，1936— & Burton Richter，1931—2018)因發(fā)現(xiàn)粲夸克而獲得1976年諾貝爾物理學(xué)獎。在原子核、強(qiáng)子研究發(fā)展的同時，人們對弱相互作用的認(rèn)識也逐漸深入。到了20世紀(jì)60年代，希格斯機(jī)制、電弱統(tǒng)一理論相繼建立。1970年，為了解釋與實(shí)驗(yàn)嚴(yán)重不符的味道改變的中性流的存在，格拉肖、伊利奧普洛斯和馬亞尼(Sheldon Glashow，John Iliopoulos & Luciano Maiani)提出GIM機(jī)制并引入了一種新夸克4)——粲夸克。1974年，丁肇中和里克特分別在質(zhì)子—核子對撞和正負(fù)電子對撞中發(fā)現(xiàn)了一個極窄的共振態(tài)[33，34]，其質(zhì)量約為3.1 GeV。丁肇中和里克特分別將其命名為J粒子和ψ5)。由于其質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于之前發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子共振態(tài)，但寬度卻很小，它不可能是僅包含u，d或s夸克的強(qiáng)子激發(fā)態(tài)，因此它很可能是由理論預(yù)測的c夸克構(gòu)成。c夸克的發(fā)現(xiàn)具有極其重大的意義，被稱為“十一月革命”——它檢驗(yàn)了當(dāng)時描述弱相互作用和強(qiáng)相互作用的理論的正確性。另外兩味更重的夸克，底夸克(b)和頂夸克(t)，也分別在1977年和1995年被發(fā)現(xiàn)，完成了標(biāo)準(zhǔn)模型中夸克部分的拼圖。

杰爾姆·弗里德曼，亨利·肯德爾和理查德·泰勒(Jerome Friedman，1930—，Henry Kendall，1926—1999和Richard Taylor，1929—2018)因?qū)﹄娮印|(zhì)子、電子—束縛中子的深度非彈性散射的開創(chuàng)性研究進(jìn)而證實(shí)夸克的存在而獲得1990年諾貝爾物理學(xué)獎。

蓋爾曼和茨威格提出的夸克模型可以很好地對實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的介子和重子進(jìn)行分類，將他們放入SU(3)群的多重態(tài)中。但很快人們就發(fā)現(xiàn)了新的問題。一方面，作為強(qiáng)子基本組分的夸克是否是真實(shí)的粒子?為什么實(shí)驗(yàn)中沒有看到自由的夸克？還是說夸克只是作為一種輔助的理論概念方便理解實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的大量的強(qiáng)子？另一方面，人們發(fā)現(xiàn)在重子十重態(tài)中，夸克作為費(fèi)米子似乎違反了泡利不相容原理。比如Δ++，Δ-和?-在夸克模型中其夸克組分分別為uuu，ddd和sss。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這些粒子作為基態(tài)，總自旋為3/2并且空間波函數(shù)兩兩互為S波。這樣其整體波函數(shù)是交換全對稱而非全同費(fèi)米子需要滿足的交換反對稱。

為解決第二個問題，就必須引入一個被稱為顏色(color)的自由度。每味夸克具有紅綠藍(lán)(r, g, b)三種顏色，承載另一個SU(3)對稱性的基礎(chǔ)表示。只需上述三種重子的顏色波函數(shù)為顏色SU(3)群的單態(tài)即可滿足波函數(shù)的交換全反對稱性。引入了新的顏色自由度后，新的問題隨之而來。為什么實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子均為顏色單態(tài)而不存在帶顏色的呢？為解釋這樣的現(xiàn)象人們提出了色禁閉的假設(shè)：只有顏色SU(3)群的單態(tài)才能自由地存在。由于夸克是顏色SU(3)的三重態(tài)，我們不可能在實(shí)驗(yàn)中探測到自由的夸克。

如果探測不到自由的夸克，那么夸克是真實(shí)存在的嗎？20世紀(jì)60年代的深度非彈散射實(shí)驗(yàn)給出了肯定的答案[35，36]：核子內(nèi)部存在點(diǎn)狀帶電粒子。電子—質(zhì)子深度非彈散射中出現(xiàn)大能量和大動量轉(zhuǎn)移的幾率很高(圖5)。這種大能量和大動量轉(zhuǎn)移的過程暗示質(zhì)子內(nèi)部存在定域的散射中心。

圖5電子—質(zhì)子深度非彈散射數(shù)據(jù)[35]。橫坐標(biāo)為轉(zhuǎn)移動量的平方，縱坐標(biāo)為散射截面與相對論性粒子的庫侖散射截面(莫特截面)的比值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示大動量轉(zhuǎn)移的截面并不像彈性散射那樣快速下降

戴維·格羅斯，戴維·波利策和弗蘭克·維爾切克(David J. Gross，1941—，H. David Politzer，1949— 和Frank Wilczek，1951— )因發(fā)現(xiàn)強(qiáng)相互作用的漸進(jìn)自由而獲得2004年諾貝爾物理學(xué)獎。量子色動力學(xué)(QCD)是標(biāo)準(zhǔn)模型中描述強(qiáng)相互作用的基本理論，它是基于顏色SU(3)對稱性的規(guī)范理論。1973年，波利策和格羅斯及其學(xué)生維爾切克獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了非阿貝爾規(guī)范場的漸進(jìn)自由的性質(zhì)[37，38]，表現(xiàn)為如下形式，

其中αs表示強(qiáng)相互作用的精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)，即相互作用強(qiáng)度，b0=11-2Nf/3，M為任意一個重正化能量點(diǎn)。當(dāng)夸克味道的數(shù)目Nf=6時，b0>0，此時αs(Q)隨著相互作用能標(biāo)Q的變大而趨于零，此即QCD的漸進(jìn)自由。

04 強(qiáng)相互作用前沿簡介

目前強(qiáng)相互作用的研究前沿主要包括三個方面：強(qiáng)子結(jié)構(gòu)、極端條件下的核結(jié)構(gòu)和高溫高密核物質(zhì)。這三個領(lǐng)域分別占美國能源部相關(guān)方面經(jīng)費(fèi)的約30%，剩余部分分配給相關(guān)的交叉學(xué)科研究，如核天體物理、標(biāo)準(zhǔn)模型在核物理中的檢驗(yàn)及核技術(shù)應(yīng)用等。

4.1 強(qiáng)子結(jié)構(gòu)

目前QCD是公認(rèn)的描述強(qiáng)相互作用的基本理論。但是由于其低能非微擾的特性(QCD耦合系數(shù)在低能區(qū)不再是小量，無法按其冪次進(jìn)行微擾展開)，我們很難直接從QCD出發(fā)嚴(yán)格計(jì)算出夸克通過交換膠子形成強(qiáng)子的能譜，也無法準(zhǔn)確地描述夸克和膠子是如何構(gòu)成強(qiáng)子的。相比于原子結(jié)構(gòu)和原子核結(jié)構(gòu)，研究強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的最大困難是造成組分?jǐn)?shù)可變的非淬火效應(yīng)：強(qiáng)子中夸克的動能和勢能比一對正反夸克的質(zhì)量還大，膠子可變成正反夸克對，使得強(qiáng)子中的組分夸克數(shù)不確定。即使在唯一穩(wěn)定的強(qiáng)子——最輕的重子(質(zhì)子)中，實(shí)驗(yàn)觀測已確立除了3個價夸克uud外，還存在膠子場中產(chǎn)生的。除了傳統(tǒng)夸克模型中的介子和qqq重子之外，QCD還允許其他的強(qiáng)子構(gòu)型存在，比如四夸克態(tài)、五夸克態(tài)、混雜態(tài)、膠球等，這些被稱為奇特強(qiáng)子態(tài)(exotic states)，如圖6所示。

圖6傳統(tǒng)強(qiáng)子與奇特強(qiáng)子態(tài)，QCD還允許更多夸克組分的色單態(tài)強(qiáng)子的存在

目前探索強(qiáng)子內(nèi)部夸克—膠子結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)主要有兩個基本途徑：一是通過高能電磁探針與核子的深度非彈散射測量核子的夸克—膠子結(jié)構(gòu)函數(shù)，二是通過高能碰撞產(chǎn)生強(qiáng)子基態(tài)和激發(fā)態(tài)，研究強(qiáng)子譜。

我國的強(qiáng)子結(jié)構(gòu)研究起步于20世紀(jì)60年代的層子模型理論研究，得益于北京正負(fù)電子對撞機(jī)90年代開始的強(qiáng)子譜實(shí)驗(yàn)研究的極大促進(jìn)，目前已走在國際最前列。美國物理學(xué)會主編的Physics雜志近十年來評選出的年度重要亮點(diǎn)成果中，強(qiáng)相互作用最亮的兩項(xiàng)成果是：(1)2013年以我國科學(xué)家為主的BESIII實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)了Zc(3900)四夸克態(tài)；(2)2015年我國科學(xué)家做出突出貢獻(xiàn)的LHCb實(shí)驗(yàn)組發(fā)現(xiàn)了兩個Pc五夸克態(tài)。我國理論物理學(xué)家在這些多夸克態(tài)的預(yù)言和解釋方面做出突出貢獻(xiàn)，應(yīng)邀為物理學(xué)頂級綜述期刊撰寫相關(guān)綜述[39，40]。對這些奇特強(qiáng)子態(tài)的實(shí)驗(yàn)尋找和理論研究是強(qiáng)子結(jié)構(gòu)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)，進(jìn)一步揭示了非淬火效應(yīng)在強(qiáng)子結(jié)構(gòu)和夸克禁閉機(jī)制中的重要作用。

我們從物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)研究的歷史中知道，原子能譜的研究為我們帶來了原子的量子理論，促進(jìn)了量子力學(xué)的建立；原子核譜的研究帶來了原子核的殼層模型和集體運(yùn)動模型；那么對強(qiáng)子能譜的研究又會為我們帶來什么新的突破性發(fā)現(xiàn)呢？讓我們拭目以待。

4.2 極端條件下的核結(jié)構(gòu)

自門捷列夫整理出元素周期表以來，人們一直在逐步地發(fā)現(xiàn)、制造新的元素和核素(即原子核)。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的核素包括300多個自然界存在的核素以及超過3000個人工合成的核素。而理論預(yù)期總共大約有9000個核素。因此，還有大量的新核素等待人們?nèi)ヌ綄ぃ貏e是很多理論模型預(yù)言可能存在的質(zhì)子數(shù)在120左右的超重核穩(wěn)定島。經(jīng)典的核殼結(jié)構(gòu)模型和集體運(yùn)動模型成功地解釋了自然界中觀測到的穩(wěn)定原子核的結(jié)構(gòu)，但高速旋轉(zhuǎn)、超級變形、反常中子質(zhì)子比、超重、摻雜超子等極端條件下的不穩(wěn)定原子核出現(xiàn)了很多新的現(xiàn)象和新的結(jié)構(gòu)，如何在一個統(tǒng)一的理論框架下定量地描述所有原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是當(dāng)前核結(jié)構(gòu)物理學(xué)家面臨的一個新的挑戰(zhàn)。關(guān)于這些不穩(wěn)定核的研究對理解宇宙中各種化學(xué)元素核合成的過程及豐度分布等核天體物理問題也具有重要意義。

除了由核子組成的原子核，人們還嘗試向原子核中注入含有s夸克的超子(?)形成超核。對這些超核性質(zhì)的研究也會加深我們對低能強(qiáng)相互作用的理解。此外，原子核內(nèi)非核子自由度(多夸克態(tài)、核子激發(fā)態(tài)、介子)的貢獻(xiàn)有多大，也是一個重要的研究方向。

4.3 高溫高密核物質(zhì)

由強(qiáng)相互作用主導(dǎo)的物質(zhì)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變對我們理解早期宇宙的演化及中子星等致密星體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)至關(guān)重要。日常所見的物質(zhì)相變本質(zhì)上由電磁相互作用主導(dǎo)，我們可以從實(shí)驗(yàn)和理論中得到相應(yīng)的相圖。類似地，強(qiáng)相互作用的物質(zhì)的相變也由其相圖描述(圖7)。強(qiáng)相互作用的物質(zhì)包括以下幾種狀態(tài)：

(1)核物質(zhì)(nuclear matter)，由大量質(zhì)子和中子按一定密度組成的空間均勻體系，此時的溫度接近0，飽和密度處對應(yīng)的重子化學(xué)勢約為900 MeV。重核中心位置以及致密星體內(nèi)部可以近似看作核物質(zhì)。另外，在重離子碰撞實(shí)驗(yàn)中也可能會形成核物質(zhì)。

(2)強(qiáng)子氣體(hadron gas)。當(dāng)重子化學(xué)勢不大，同時具有非零的溫度時，強(qiáng)子會以類似于氣體的狀態(tài)存在。

(3)色超導(dǎo)(color superconductor)。增加重子化學(xué)勢，保持低溫，強(qiáng)相互作用的物質(zhì)會進(jìn)入一個顏色超導(dǎo)體的狀態(tài)，類似于低溫下的電超導(dǎo)體。

(4)夸克—膠子等離子體(quark—gluonplasma，QGP)。在高溫高密時，形成強(qiáng)子的夸克會混雜著膠子變成等離子體的狀態(tài)，相互獨(dú)立。

圖7 QCD 相圖。橫軸為重子化學(xué)勢(可簡單理解為重子或夸克的數(shù)量)，縱軸為溫度

在宇宙的早期階段，正反物質(zhì)相同，重子化學(xué)勢為零，但又具有很高的能量，從而那時強(qiáng)相互作用物質(zhì)很可能處于QGP狀態(tài)。而目前溫度逐漸冷卻，我們見到的物質(zhì)處于核物質(zhì)的狀態(tài)。目前對QCD相變的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在兩個方向：

(1)高溫低密，理想氣體的研究。格點(diǎn)QCD的計(jì)算發(fā)現(xiàn)在小化學(xué)勢時，隨著系統(tǒng)溫度的升高，系統(tǒng)會從強(qiáng)子氣體相平滑過渡到夸克—膠子等離子體相。流體動力學(xué)模擬顯示QGP更接近理想流體。該方向的實(shí)驗(yàn)探究主要由布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的相對論重離子對撞機(jī)(RHIC/BNL)和歐洲核子中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC/CERN)進(jìn)行。

(2)低溫高密，色超導(dǎo)的研究。該方向主要由德國重離子研究中心的反質(zhì)子與離子研究裝置(FAIR/GSI)和蘭州中國科學(xué)院近代物理所的重離子冷卻儲存環(huán)(CSR)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

05 總結(jié)與展望

強(qiáng)相互作用決定了強(qiáng)子、原子核兩個物質(zhì)微觀基本層次的結(jié)構(gòu)，也是基本粒子、宇宙天體演化物理的重要組成部分。盡管經(jīng)過了約一百年的探索，人們對強(qiáng)相互作用有了比較全面的認(rèn)識，但我們?nèi)悦媾R著很多待解之謎。我國大科學(xué)裝置的發(fā)展，包括北京正負(fù)電子對撞機(jī)(BEPCII)、HIAF等，理論和實(shí)驗(yàn)的相互配合使我國強(qiáng)相互作用物理的研究走在國際前列，未來大有可為。

注: 1)1925年，盧瑟福的學(xué)生布萊克特證明真實(shí)發(fā)生的過程應(yīng)該是

3)茨威格將其命名為ace。

4)早在1964年Bjorken和Glashow就從輕子—夸克對稱性猜測存在一個與s夸克對應(yīng)的新夸克，當(dāng)時人們并未認(rèn)識到其重要性。

5)現(xiàn)在它的名字是J/ψ，它是由構(gòu)成的基態(tài)矢量粲偶素，量子數(shù)為。 ?






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