各种粒子都是如何被发现的（一大批无法解释的粒子现身）

各种粒子都是如何被发现的（一大批无法解释的粒子现身）我们还知道作用力越强，碰撞截面越大，由于强力是最强的力，所以我们通过测量π-和质子的碰撞，很容易就能知道，这是一个强作用力的过程。下面我解释一下什么是碰撞截面，粒子之间碰撞就像是打靶一样，靶子的面积越大越容易打中，那对于粒子的碰撞而言，我们可以假象一个碰撞截面，这个截面越大越容易发生碰撞，所以碰撞截面这个物理量就是用来描述碰撞难易程度的。另一类是比质子和中子更重的重子，包括Λ、Σ 、Σ0、Σ-、和Ξ0 、 Ξ-，可以看出发现的粒子慢慢多了，各种奇奇怪怪的希腊字母都出来了，其实上面那个不念K介子，那是希腊字母卡帕的大写，那后面我们就把它读作K，顺口一点。这两类粒子的行为非常的古怪，最令科学家不解的是，这些粒子是在强相互作用中产生的，而且会在云室中形成典型的V字型轨迹，这说明这些粒子是成对出现的，但奇怪的是这些粒子的衰变却受到了弱力的支配。比如一个π-介子现在入射一个质子，就会生成一个Λ和一个

从这节课开始我们遇见的新粒子会越来越多，费米就曾经说过，他要是能把这些粒子的名字都记住的话，早就成植物学家了。

所以说，这些粒子你也不要刻意地去记它的名字，只要知道它们属于哪种类型的粒子就可以了。好，我们就开始今天的内容。

上节课我们说了人们在宇宙线中发现了π介子和μ子，这只是宇宙线中产生新粒子的一小部分，到了上世纪的40年代末，随着人们对宇宙线探测技术的进步，顿时就发现新粒子真的是层出不穷，每个星期都会有数个新粒子被发现。

其中就包括罗切斯特和布特勒发现的一批新粒子，这批新粒子有两类，一类是K介子，包括K 、K0、反K0和K-，这些介子都比π介子更重。

另一类是比质子和中子更重的重子，包括Λ、Σ 、Σ0、Σ-、和Ξ0 、 Ξ-，可以看出发现的粒子慢慢多了，各种奇奇怪怪的希腊字母都出来了，其实上面那个不念K介子，那是希腊字母卡帕的大写，那后面我们就把它读作K，顺口一点。

这两类粒子的行为非常的古怪，最令科学家不解的是，这些粒子是在强相互作用中产生的，而且会在云室中形成典型的V字型轨迹，这说明这些粒子是成对出现的，但奇怪的是这些粒子的衰变却受到了弱力的支配。

比如一个π-介子现在入射一个质子，就会生成一个Λ和一个K0，这个过程是一个强作用力的过程，因为我们测量了π-介子和质子的碰撞截面是1mb，1b等于10^-24平方厘米。1mb很明显是强作用力过程中的碰撞截面。

下面我解释一下什么是碰撞截面，粒子之间碰撞就像是打靶一样，靶子的面积越大越容易打中，那对于粒子的碰撞而言，我们可以假象一个碰撞截面，这个截面越大越容易发生碰撞，所以碰撞截面这个物理量就是用来描述碰撞难易程度的。

我们还知道作用力越强，碰撞截面越大，由于强力是最强的力，所以我们通过测量π-和质子的碰撞，很容易就能知道，这是一个强作用力的过程。

所以Λ和K0是强相互作用的产物，不过它们不稳定会发生衰变，比如生成的Λ会衰变回π-和质子，我们预计这个回去的过程也应该受强力的控制，也就由强力控制的衰变。怎么来的就怎么走嘛。

但是我们发现Λ的寿命居然长达2.6×10^-10秒，上节课的内容还记得把，这个时间很明显是受到了弱力的控制，这科学家就解释不清楚了，为什么由强力产生的粒子，往回衰变的时候，却是由弱力控制的？

大约就是同一时间，美国物理学家盖尔曼和日本物理学家西岛和彦，同时提出了一个这样的想法，它们认为产生的这些新粒子具有一个新的量子数，盖尔曼将其称为奇异数，记为S，所以说这些粒子才被称为了奇异粒子。

盖尔曼假设这些新粒子的奇异数在强相作用中是守恒的，但是在弱相互作用中不守恒，所以这些奇异粒子不可能在强力中衰变，因为它们一旦形成就有了奇异数，就不可能再从强力中变成普通粒子了，因为这意味着奇异数要从1或者-1变成0，这不就违反刚才的假设了嘛。

因此它们只能等待一段时间，通过奇异数不守恒的方式衰变，也就是通过弱力发生衰变。盖尔曼的这个假设，其实也可以通过检验，他说在强相互作用中，奇异数是守恒的，这说明普通粒子在碰撞的时候，生成的奇异粒子是成对出现的，而且它们的奇异数必须相反，而且还要抵消掉，这就可以保证在强作用的过程中，奇异数前后都是0，不增不减都是守恒的。

在实验中我们确实发现奇异粒子是成对出现的，那现在的问题是我们要如何定义奇异粒子的奇异数。那上节课我们说了，这些量子数就是粒子的身份证，或者是身体的指标，虽然现在我们不了解这些奇异粒子，但是通过奇异数我们就能从中发现一些规律。

好，那下面我们就分析一下这些奇异粒子的性质，哪些比重子重的奇异粒子，什么Λ、Σ和 Ξ，它们的自旋都是1/2，其实它们都是重子，都用重子数为1，那它们反粒子的重子数就是-1了。

那从质量上来看，我们发现Λ、Σ 、Σ0、Σ-、和Ξ0 、 Ξ-，它们能分成三组，一组是Λ，另外一组是Σ 、Σ0、Σ-，还有一组是Ξ0 、 Ξ-。

之所以这样分组是因为每组内的奇异粒子，它们的质量都差不多，这就跟质子和中子的情况一样了，前面我们说了，在核力面前质子和中子是同一种粒子的不同表现形式，区别是电荷不同，所以我们用同位旋的取向来区分质子和中子。

同样的情况，现在Σ 、Σ0、Σ-它们的质量相近，我们也可以认为它们是同一种粒子的不同表现形式，区别是电荷不同，所以我们也可以用同位旋的不同取向来区分它们，因此我们说它们的同位旋为1，在同位旋空间的I3分量上有三个投影 1、0和-1，分别代表了Σ 、Σ0、Σ-。也就是同一种粒子，在同位旋空间中有三个不同取向，这三种不同取向就代表了三种电荷状态，因此就有了Σ 、Σ0、Σ-。

Ξ0 、 Ξ-的情况跟质子和中子是一摸一样的，同位旋是1/2，有两种取向 1/2和-1/2，Λ只有一种电荷状态，所以它的同位旋是0，没有取向之分。

K 、K0、反K0和K-，这是四个介子，自旋是0，没有重子数，其中K 和K-，K0和反K0互为反粒子，所以K 、K0就构成一组电荷多重态，它们的情况跟中子和质子一样，同位旋也是1/2，投影有两个取向为 1/2和-1/2。它们的反粒子反K0和K-也一样是 1/2和-1/2。

现在说完了它们的重子数和同位旋，也知道了它们的电荷数，我们就可以定义这些奇异粒子的奇异数了。

盖尔曼发现，以前我们知道的中子和质子这两个重子，以及三个π介子（π 、π0和π-）它们的电荷数、同位旋第三分量上的取值、以及重子数之间满足这样的关系：2（Q-I3）-B=0，但是新发现的这些奇异粒子，它们的电荷、同位旋第三分量上的取值I3和重子数之间不满足这样的关系。

所以盖尔曼就把这些奇异粒子的奇异数定义为了：S=2（Q-I3）-B，顺便人们还在奇异数的基础上定义了另外一个量子数叫超超荷，记为Y，也就是Y=S B。

知道了定义的方式，我们就能算出这些新粒子的奇异数和超荷了，比如说Λ粒子，他的电荷数Q是0，I3是0，重子数B是1，所以算下来的奇异数S就是-1，超荷Y就是0，就是这样定义奇异数的。

现在我们看到就是新发现的奇异粒子的量子数，这些量子数是揭开强子内部结构的关键所在，有了这些量子数我们就能根据它们凑出一些基本粒子，去组成这些强子。

当然也能够猜出这些基本粒子所携带一些量子数，好那今天的内容就到这里，下节课我们继续说强子的发现，上面那些粒子都只是很小的一部分。