第15章 漫遊粒子世界(1)(2 / 3)

曆史上也曾發生過一些很離奇的現象,至今仍是個未解開的謎。早在1908年的6月30日,在西伯利亞通古斯河中遊突然爆發了一場特大火災,在這個區域的上空有一個爆炸著的大火球,爆炸響聲傳至幾千裏;產生的火光,使亞洲、歐洲甚至非洲的部分地區都出現了三天“白夜”;在直徑30千米的範圍內所有的森林都被連根拔起。這場罕見大火的起因至今還沒有找出正確的答案。1957年4月,人們觀測到一顆彗星,名字叫阿倫達·羅蘭彗星,這顆彗星拖著的長長尾巴,與眾不同的是,一般彗星的尾巴,因受太陽光的壓力作用始終背離太陽;而這顆彗星則不然,它的尾巴總是彎向太陽。對於這些奇怪的現象,人們試圖用宇宙間存在有反物質加以解釋。認為有少量的反物質經過茫茫的空間來到太陽係,這些不速之客,在地球引力的作用下進入到西伯利亞地區與物質相遇,產生了大規模的湮滅現象,從而釋放出巨大能量,出現強光、高溫,導致通古斯河中遊這場大火,給人類帶來了巨大災難。同樣,阿倫達·羅蘭彗星的長尾巴若由反物質構成,就會產生與正物質組成的彗星尾巴相反的效果。近些年來,人們通過大量的實驗材料的分析,提出銀河係的某些區域存在有反物質。為了檢驗這些判斷的正確性,1998年6月3日清晨,美國“發現”號航天飛機從佛羅裏達州肯尼迪宇航中心將一台大型的阿爾法磁譜儀首次送入太空,其目的之一就是對宇宙間反物質進行探測研究,為當今這一科學難題的解決做出貢獻。

緊接著,1937年發現了μ粒子,1947年又找到了μ介子等等。截止到1947年,人們認識的粒子數目已達14種之多。在壯麗的大自然中,它們身居要位,各顯神通。p、n、e-組成穩定的物質,γ光子傳遞電磁相互作用,π介子在傳遞核力中不可替代,在β粒子和μ粒子衰變的過程中,中微子ν扮演著不可缺少的配角。至於μ粒子在宇宙中存在,它擔當的角色時至今日仍是個沒有解開的謎。還有幾種粒子,如反質子、反中子、中微子和它的反粒子等,理論上預言它們是存在的,隻是人們尚未找到,直到20世紀50年代才相繼被發現。

第二代粒子

1947年,物理學家羅徹斯特和巴特勒在研究宇宙射線中,通過雲室拍下了大量的珍貴照片,其中兩張令他們感到新奇。照片中粒子留下的徑跡非常特殊(見圖6-3)。由圖可以看出,首先帶電粒子π-與質子相碰,產生兩個不帶電的粒子Λ°與K°。由於它們不帶電,沒有電離作用,在雲室中沒有留下可供觀測的徑跡,圖中用虛線表示。隨後,Λ°粒子發生衰變,產生一個質子和一個π-粒子;同時,K°粒子衰變為π+和π-兩個粒子。通過對衰變產物π+、π-和p的測量分析,發現新粒子Λ°與K°的行為與第一代粒子完全不同,運用已知粒子的性質解釋這種現象行不通。新粒子有兩個特別的性質,是人們以前從未遇到過的。

(1)快產生,慢衰變

π-粒子一般與質子接觸,在10-23秒這樣的瞬間,Λ°、K°粒子便可產生。然後,經過10-10秒,Λ°和K°各自衰變。盡管這兩個粒子的壽命隻有短短的100億分之一秒,但存活的時間仍是產生所需時間的1013倍。1013倍是個什麼樣的概念呢?好比一位100歲老人與一朝分娩相比,還要差一萬倍。

一般情況下,不論是原子過程還是原子核過程都是產生快的粒子,它的壽命短,衰變就必然快;反過來也是這樣。而這兩位新客人,情況剛好相反,不符合常規要求。

(2)成對產生,單獨衰變

核反應過程中,隻要有Λ°和K°粒子,它們總是成對出現,恰似一對雙胞胎。這一對孿生兄弟衰變過程確是單獨進行,各不相關,可謂同生不同亡。一般情況下,產生一個粒子的過程要比同時產生兩個粒子更容易發生,這種成對產生的過程實屬罕見情況。

到了20世紀50年代,在實驗中觀察到了同樣的過程:利用加速器把π-粒子的能量提高,然後用這個重型炮彈轟擊氫原子,便有K°和Λ°粒子產生,即

π-+p→K°+Λ°

K°和Λ°很快發生衰變:

K°→π++π-

Λ°→π-+p

類似的過程還表現在正、反粒子相遇的情況。比如

p+→K°+Λ°+p+π-

1953年,美國著名的理論物理學家蓋爾曼(1929—)和日本物理學家西島為了解釋這些奇特的現象,他們稱K°和Λ°粒子為奇異粒子,以區別我們前麵介紹的第一代粒子。為了描述這類粒子的奇異性質,引入了“奇異量子數”概念,簡稱奇異數,用字母S表示。凡屬於奇異粒子,S值不為零,但可以是正數,也可以是負數。如K°粒子,S=1;Λ°粒子,S=-1等。凡不屬於奇異粒子,S值均為零,如π粒子,S=0。奇異數是奇異粒子的標誌。