粒子与反粒子

吕立君

（赤峰学院 物理与电子信息工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

粒子与反粒子

吕立君

（赤峰学院 物理与电子信息工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

微观粒子的种类达数百种之多，每种粒子都有相应的反粒子.本文介绍了正反粒子的夸克谱及其简单性质.

夸克；强子；反粒子；反物质

丰富多彩的物质世界可分成三个层次，宏观物质、微观粒子和宇观物质，还原到微观本源，它们都是由微观粒子构成.我们知道，铁块由铁原子构成，但原子并不是构成物质的最基本单元.原子由原子核和电子构成，原子核又由核子构成，核子仍然不是构成物质的最基本单元.其实人们在研究原子核的结构和运动变化规律时发现了许多粒子，如ve、vμ中微子，K±、K0介子，Λ、∑、Ξ、Ω超子等等，粒子的种类已达数百种之多,这些粒子构成了千变万化的物质世界.随着粒子物理学的发展，对反粒子及反物质的研究和探索也在不断深入.

表1 粒子分类

1 粒子的分类

粒子间的相互作用可归为四类：万有引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用.各种粒子间的相互作用是靠媒介粒子来传递的.电磁相互作用的媒介粒子是光子g，弱相互作用的媒介粒子是中间玻色子W±和Z0，强相互作用又分为基本基本相互作用和剩余作用，基本相互作用的媒介粒子是胶子G，剩余相互作用的媒介粒子是介子（如核子间的作用（π介子）不再是基本相互作用，是剩余效应），引力作用的媒介粒子是引力子g.这些传递相互作用的媒介粒子称规范粒子.主要参与弱相互作用而不参与强相互作用的粒子称轻子，一切参与强相互作用的粒子统称为强子.将粒子按他们间的主要相互作用分类见表1.

迄今为止，直到10-20cm尚未发现轻子有任何内部结构，可认为是基本粒子.而强子并不“基本”，强子有复杂的结构.

2 强子的夸克谱[1]

假定核子是只存在电磁相互作用的点状粒子，狄拉克的理论结果是，质子的磁矩μp是一个核磁子μN，而中子的磁矩为零.在1932年斯特恩测得质子的磁矩为2.79μN，后来又测得中子的磁矩为-1. 91μN，它们远离狄拉克理论的预言，这使人们猜想核子有内部结构.1956年霍夫斯塔夫（R.Hofstadter）用高速电子轰击质子时发现质子的电荷有个分布，电荷半径约为0.7fm，后来又发现中子虽然整体呈中性，但内部却有正电和负电，电荷分布半径约为0.8fm，它们都不是点粒子.1963年盖尔曼等人提出强子是由夸克（quark）组成的模型.夸克模型认为，所有的重子都由三种夸克组成，介子由一种夸克和一种反夸克组成.夸克有六种，分别是上夸克（u）、下夸克（d）、奇异夸克（s）、粲夸克（c）、底夸克（b）和顶夸克（t），这六种夸克被称为带有六种“味道”的夸克.另外，所有的夸克都带有“颜色”量子数，且每种夸克有三种颜色：红、绿、蓝.六味夸克被分为三代，每代夸克之间的质量差别很大，它们的量子特性见表2.目前的实验和理论上认为夸克和轻子是基本粒子，还没有实验证据表明它们具有内部结构，可以看做是点粒子.

表2 夸克（Quark）的量子特性

表3 反夸克的量子特性

夸克有六种“味”，三种“色”，每一种夸克还有相应的反夸克，如总数有36种，它们是“真正”的基本粒子，是构成强子的基本单元.其中分别称为u、d、s、c、t、b的反粒子.部分反夸克的量子特性见表3.

粒子与反粒子的质量、寿命、自旋等量子数相同，但电荷、轻子数、重子数、超荷、IZ、奇异数S等量子数相反.

自从夸克模型提出以来，人们用许多方法寻找自由夸克，至今仍没有找到自由夸克，即所谓夸克禁闭.人们认为夸克间的强相互作用很强，现有的加速器能够达到的能量还不能够把单独夸克打出来，而夸克模型的结果与一系列的实验符合的很好.现在发现的由夸克构成的束缚态（即强子）有数百种之多，这些强子可分为两类：一类是由三夸（qqq）克构成的重子，另一类是由一个夸克和一个反夸克（构成的介子.表4、表5分别列出部分介子和重子的夸克谱[2,3].

表4 介子夸克谱

表5 重子夸克谱

3 反粒子

1928年英国剑桥大学教授保罗·狄拉克通过数学计算，提出电子有两种存在形式，除了有带负电荷的电子外，还有带正电荷的电子.

1932年美国物理学家安德逊应用云室技术研究高能宇宙线时发现，有—种粒子的行为很像是电子，但是弯曲的方向与电子正相反.安德森认为，它是—种带正电的“电子”——正电子（e+），它与电子

质量相等都相同，只是电荷相反.这一实验结果证实了狄拉克关于“反电子”的设想.正电子（）是人类发现的第一个反粒子.1955 年美国人赛格雷和张泊伦在用高能（6.2GeV）质子连续轰击铜靶，发现了反质子（）它带负电，磁矩同自旋方向相反.1956年人们又发现了中子的反粒子——反中子（）.中子不带电但有磁矩，数值为-1.91280核磁子，负号表明同自旋方向相反.反中子与中子的区别是，反中子（）的磁矩是正的，即反中子的磁矩与自旋同方向.1956 年柯万和雷尼斯从裂变反应堆的强中子流中发现了反中微子（），中微子具有自旋，自旋的方向与线动量的方向相反，即左旋中微子，反中微子也具有自旋，自旋的方向与反中微子线动量的方向相同，即右旋中微子.1959 年我国物理学家王淦昌发现了反西格马负超子（），意大利科学家阿马耳基发现反西格马正超子（），20世纪60年代，“基本粒子”中的反粒子差不多全被人们找到了.

表6 粒子与反粒子的性质

一般来说正反粒子是靠其电荷不同相区别的.但电荷只是粒子的一种属性，还用重子数和轻子数等物理量描述的其他属性.粒子与相应的反粒子的质量、寿命、自旋等量子数相同，但电荷、轻子数、重子数、超荷、IZ、奇异数S等量子数相反.费米子和反费米子的内禀宇称是相反的，如、p、n、、∑±,0、Θ-,0、Ω-的宇称是偶性的，而它们的反粒子、的内禀宇称是奇性的.玻色子和反玻色子的内禀宇称是相同的，如和，和，和的内禀宇称都是奇性的.粒子与反粒子的性质见表六.各种强子的详细性质见文献[4]和[5].

4 反物质

粒子实验已证实，正反粒子的强相互作用和电磁作用性质完全一样，因此反质子和反中子能结合成带负电的反原子核，反原子核和反电子结合在一起，就能组成反原子.

欧洲核子研究中心在1995年第一次制造出了反氢原子，但只能存在几个微秒的时间，就与周围环境中的正氢原子相碰并湮灭.2010年欧洲核子研究中心的科学家通过大型强子对撞机，成功制造出少量的“反物质”即少量的反氢原子，并利用特殊的磁场使其存在了“较长时间——约0.17秒”，这是科学家首次成功“抓住”反物质原子.2011年6月5日欧洲核子研究中心的科研人员宣布已成功抓取反氢原子超过16分钟.2011年5月初，中国科学技术大学与美国科学家合作发现迄今最重的反物质粒子——反氦.如果能量足够，无疑将会组成更为复杂的反原子.

5 反星球和反星系

至今的天文观测无法区分所接收到的信息是物质天体还是反物质天体发出的.但是高能宇宙线的产生、某些星系中氢的大量发现、类星体的存在等，使人们有理由认为可能存在反星系.

高能宇宙线的产生：正反粒子质湮，将转化为与质湮粒子的静止质量相当的巨大能量，或转化成能量和一些较小的粒子.天体信息，多是以光子即电磁波的形式传来，由于光子是自身的反粒子,所以来自遥远星系的强辐射流,可能暗示着反物质团块的实际存在.

某些星系中氢的大量发现：因为氢与反氢的光谱完全一样而难以区分.

类星体的存在：类星体的体积很小(直径不到1光年)，释放的能量比银河系所有恒星释放的总能量还要多得多，这样剧烈的反应可能是正反物质的湮灭反应.

1997年4月美国天文学家宣布，利用伽马射线探测卫星发现银河系中心存在反物质喷泉，这标志着反物质的探索向前迈进了一大步.相信随着科学技术的不断发展和科学研究的不断深入，人们对物质世界的认识会更全面.

〔1〕杨福家.原子物理学[M].高等教育出版社,2000.

〔2〕褚圣麟.原子物理学[M].高等教育出版社,2003.

〔3〕宁平志,李磊.原子核物理基础[M].高等教育出版社,2003.

〔4〕Caso C,etal.ParticleDataGroup.Euro. Phys.J.,1998,C3:1;2000,C15:1.

〔5〕HagiwaraK,etal.ParticleDataGroup.Phys.Rev.,2002,D66:010001.

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：1673-260X（2013）01-0009-04