文章来源:中国科学院高能物理研究所
1947年前,只发现了质子、中子、电子、 子等很少的“粒子”,人们认为这些粒子就是构成物质的最小单元,称它们为“基本粒子”(意为不可分割)。
1947年,英国科学家罗彻斯特(George Dixon Rochester,1908-2001)和巴特勒(Clifford.C.Butler,1922-1999)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。由于它们具有独特的性质——它们因粒子相互碰撞而一起产生,且产生得很快,但却各自独立地衰变得很慢,因起初对此无法解释,所以称为奇异粒子。
1953年,美国科学家盖尔曼(Murray Gell-Mann,1929- )用一个新的量子数——奇异数成功地解释了这一特性(不同的粒子具有不同的奇异数,例如0, 1, 2,……,在描述强相互作用或电磁相互作用时奇异数必须守恒)。在发现的一系列奇异粒子中,有质量比质子轻的奇异介子,有质量比质子重的各种奇异重子(也称超子)。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。
为了克服宇宙线流太弱的限制,从20世纪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。科学家们在宇宙线实验和粒子加速器实验中发现了大量的粒子:div ,div0,K ,K0, ,S, , ,等等约一百多种。其中少部分比较稳定寿命长,大部分不太稳定寿命很短,产生出来很快就蜕变成别的粒子 (寿命极短经强作用衰变的粒子也称共振态)这一百多种被称为“基本粒子”的粒子是否都是“基本”的?
对比门捷列夫周期表,一百多种化学元素(元素是具有相同质子数(核电荷数)的同一类原子的总称)都是由质子、中子、电子三种更“小”的粒子组成的。人们猜测,一百多种“基本粒子”应该还有内部结构。
美国科学家霍夫思塔特(Robert Hofstadter,1915-1990)从1950年开始利用斯坦福大学直线加速器提供的高能电子轰击金、铅、铝和铍等原子核靶,电子被核子弹性散射,按电子的能量以及散射后偏离入射方向的角度进行分类计数,从而描绘出核子的电荷分布,得到原子核结构的概貌。1957年,霍夫思塔特又用能量高达10亿电子伏特的高能电子轰击质子(氢气做靶),探测末态被散射电子的分布。结果表明,质子并不是一个几何点,质子电荷分布在约10-13厘米这样一个小空间范围内。中子也有大小,中子虽然总电荷为零,但在10-13厘米范围内各个小区电荷密度有正有负。这说明一百多种“基本”粒子不可能都是最小单元,质子、中子有内部结构,它们由更“小”的东西组成。