模型法：基本粒子探索的强大工具

前面谈到，原子模型和原子核模型对于发现原子核和中子以及原子核的结构，产生了重要的启示作用。那么类似的构思对研究更深层次物质微观结构的组成是否有重要作用呢？半个多世纪以来的高能物理发展史说明，这个研究方法是十分有益的，并且在夸克模型（标准模型）和发现六种夸克及电子的分裂研究上，取得了令人震惊的成果，从而肯定了构思物质组成模型是一种普遍有效的科学方法。

1932年中子的发现证实了原子核由中子、质子和电子组成的原子核模型的正确性，到了20世纪40年代末科学家们又发现了几个介子，从而使人们进一步研究中子和质子的组成。这时科学家们认识到所谓基本粒子（一般称为粒子）可分为轻子和强子两种，轻子指比介子轻的粒子，有正负电子、正负μ子和正反中微子。强子指重子和介子而言，重子指比介子重的粒子，有质子、中子和超子。轻子都参与弱相互作用，强子都参与强相互作用，而原子核内的粒子分别由强相互作用（又称强力）和弱相互作用（弱力）联系在一起。传递弱相互作用的是中间玻色子，传递强相互作用的是胶子。在宏观范围起作用的引力相互作用由引力子传递，电磁相互作用由光子传递。根据科学家们至今的发现，宇宙间共有四种相互作用而且它们是最基本的。

根据20世纪的科学发展，如果深入探索微观物质组成的层次，必须搞清楚质子由什么粒子组成，因为中子是由质子和反中微子组成，而最早发现的电子真的就是最小的电荷单位吗？这引起了一些科学家们的怀疑。于是要解决质子和电子由什么组成，必须设法将它们分解，可是形成它们的能量是非常巨大的，为此，科学家们试图通过研制能量达到几百亿、几千亿、几万亿电子伏的加速器来打破它们。由于制造这样的加速器花费甚大，非一般国家所能承受，要求的科技水平很高，只有极少的国家可能达到。在这种情况下人们根据过去的经验，还是通过先构成合理的模型然后再进行实验比较好。早在1956年，日本的坂田昌一曾经提出强子是由质子、中子、超子及它们的反粒子组成的模型，这能解释很多现象，但是他在解释重子的一些性质和预言许多不可能存在的新重子方面，遇到了困难。为此，美国物理学家盖尔曼（M.Gellmann，1929—2019）和奈曼（Y.Neeman， 1925—）在1961年提出了八重态模型。盖尔曼为了说明多重态结构的形成，提出强子由三种夸克组成的“夸克模型”（上夸克u，下夸克d，奇夸克s），认为介子由正反夸克组成，重子由三种夸克组成。1965年，我国的朱洪元等根据物质组成层次无限的辩证观点和已发现的事实，提出“层子模型”。60年代前期美国的格拉肖（S.Glashow，1932—）提出电磁相互作用与弱相互作用具有统一性，并且认为应存在第四种夸克，1974年丁肇中和里希特（B.Richter，1931—）分别发现了J/Ψ粒子，证实了第四种夸克（粲夸克）的存在。美国的温伯格（S.Weinberg，1933—）和巴基斯坦的萨拉姆（A.Salam，1926—1996）在上述理论和发现基础上，在70年代中期提出了著名的标准模型。这个模型预言弱、电和强相互作用应当有统一性，并预言强子由六种夸克（u、d、s、c夸克再加上底夸克b和顶夸克t）组成。1977年美国的费米国家加速器实验室的莱德曼（L.M.Lederman，1922—2018）等用1700多亿电子伏的质子对撞机，实验发现了第五种夸克，但是1983年欧洲核子联合研究中心（CERN）发现了弱一电统一相互作用理论预言的中间玻色子±W和Z 0粒子，但是尚无强相互作用也参与的统一相互作用。此外，六夸克理论还有待第六种夸克的发现。(www.xing528.com)

为了寻找第六种夸克，必须研制能量大得多的新质子对撞机。1992年费米国家加速器实验室研制成1万亿电子伏能量的质子—反质子对撞机“Tevator”，在1994年4月终于知道了这种夸克，称之为“顶夸克”。但是6种轻子中还有τ子中微子未能发现，直到2000年7月，费米国家加速器实验室的科学家们才通过加速器的中微子束实验，发现了τ子中微子，从而完全证实了标准模型的预言：物质由12种基本的粒子组成。到这时，科学家们终于发现了轻子和夸克各有6种，彼此之间存在对应关系。对于强子的组成粒子经过近40年的探索，用先构思模型的方法取得了重大成果，由此可见，20世纪初采用的原子模型方法经过一个世纪的不断研究，证明是探索物质微观组成的很有效的科学方法。