粒子物理学为本词条添加义项名粒子物理学，又称高能物理学，它是研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质，和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支。

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目录1学科简介2学科分类3理论分析4发展阶段5黑格斯粒子的实验证据6第四种和第五种夸克7轻子的新发现8电弱统一理论的建立9粒子物理的前景展开1学科简介2学科分类3理论分析4发展阶段4.1第一阶段（1897～1937）4.2第二阶段（1937～1964）4.3第三阶段（1964～）5黑格斯粒子的实验证据6第四种和第五种夸克7轻子的新发现8电弱统一理论的建立9粒子物理的前景粒子物理学1学科简介粒子物理学particle physics研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质，和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支。

又称高能物理学。

粒子物理学2学科分类粒子物理学专门研究组成物质和射线的基本粒子，以及它们之间的相互作用。

由于在大自然的一般条件下，许多基本粒子不存在或不单独出现，物理学家使用粒子加速器，试图复制粒子高能碰撞的机制，从而生产和侦测这些基本粒子，因此粒子物理学也被称为高能物理学。

标准模型可以正确地描述基本粒子之间的相互作用。

这模型能够计算12种已知的粒子（夸克和轻子），彼此之间以强力、弱力、电磁力或引力作用于对方。

这些粒子会互相交换规范玻色子（分别为胶子、光子、W 及Z 玻色子）。

标准模型还预测了希格斯玻色子的存在。

截至2010年，使用费米实验室的垓电子伏特加速器和欧洲核子研究组织的大型强子对撞机，实验者仍旧在努力地寻找希格斯玻色子的来踪去迹。

粒子物理学在实验上把已经发现的粒子分为两大类。

一类是不参与强相互作用的粒子，统称为轻子。

另一类是参与强相互作用的粒子统称为强子。

已经发现的数百种粒子中绝大部分是强子。

3理论分析实验发现，强子也具有内部结构。

强子内部带点电荷的东西在外国称为夸克，中国的部分物理学家称之为层子。

因为他们认为：即使层子也不是物质的始元，也只不过是物质结构无穷层次中的粒子物理学一个层次而已。

虽然层子在强子内部可以相当自由地运动，但即使用目前加速器所能产生的能量最高的粒子束轰击强子，也没有能将层子打出来，使它们成为处于自由状态的层子。

将层子囚禁在强子内部是强相互作用所独有的性质，这种性质称为“囚禁”。

弱相互作用也有其独特的性质。

它的基本规律对于左和右，正、反粒子，过去和未来都是不对称的。

弱相互作用的不对称就是李政道和杨振宁在1956年所预言，不久在实验上为吴健雄所证实的宇称在弱相互作用中的不守恒。

粒子物理学在量子场论中，各种粒子均用相应的量子场来反映。

空间、时间中每一点的量子场均以算符来表示，称为场算符。

这些场算符满足一定的微分方程和对应关系或反对应关系。

量子场的确既能反映波粒二象性，又能反映粒子的产生和消灭，还能自然地反映正、反粒子配成对的现象。

对称性在物理学中占有很重要的地位。

可以证明，假使物理基本规律具有某种对称性，与之相应就有某种守恒定律。

例如：假使物理基本规律在任何时间都一样，与之相应就有能量守恒定律：假使物理基本规律对于相变换具有不变性，与之相应就有电荷守恒定律。

假使物理规律的某种对称性是定域的，那么与之相应一定存在某种基本相互作用。

目前已经通过实验严格检验的广义相对论、量子电动力学和电弱统一理论都来源于定域对称性。

也就是说：万有引力相互作用、电磁相互作用和弱相互作用都来源于定域对称性。

4发展阶段4.1第一阶段（1897～1937）可追溯到1897年发现第一个基本粒子电子。

1932 年J.查德威克在用a粒子轰击核的实验中发现了中子，随即人们认识到原子核是由质子和中子构成的，从而形成所有物质都是由基本的结构单元——质子、中子、电子构成的统一的世界图像。

质子、中子、电子和A.爱因斯坦提出并被R.A.密立根和 A.H. 康普顿等人实验证实的光子、W.泡利假设存在的中微子（1956年最终被实验证实）以及P.A.M.狄拉克预言粒子物理学并被 C.D.安德森1932 年在宇宙线中观察到的正电子都被认为是基本粒子或亚原子粒子。

在此阶段，理论上建立了量子力学，这是微观粒子运动普遍遵从的基本规律。

在相对论量子力学的基础上，通过场的量子化初步建立量子场论，很好地解决了场的粒子性和描述粒子的产生、湮没等问题。

随着原子核物理的发展，发现在相当于原子核大小的范围内除了引力相互作用电磁相互作用之外，还存在比电磁作用更强的强相互作用和介于电磁作用和引力作用之间的弱相互作用，前者是核子结合成核的核力，后者引起原子核的β衰变。

对于核力的研究认识到核力是通过交换介子而产生的，并根据核力的电荷无关性建立起同位旋概念。

4.2第二阶段（1937～1964）这个阶段的开始以1937年在宇宙线中发现μ子为标志。

μ子的发现1934年，汤川秀树为解释核子之间的强作用短程力，基于同电磁作用的对比，提出这种力是由质子和（或）中子之间交换一种具有质量（电子质量的200～300倍）的基本粒子──介子引起的。

1936年，C.D.安德森和S.H.尼德迈耶在实验上确认了一种新粒子，其质量是电子质量的207倍，这就是后来被称为μ子的粒子。

μ子是不稳定的粒子，它衰变成电子、一个中微子和一个反中微子，平均寿命为2×10-6秒，自旋为媡/2。

汤川最初提出的介子的电荷是正的或负的。

1938年，N.J.凯默基于实验上发现的核力的电荷无关性的事实，发展了稍早些时候出现的同位旋的概念，建立了核力的S?S⑵对称性理论。

这个理论有两个重要的结果，一是除了带正负电的介子之外，还应当有不带电的中性介子，三种介子的质量应当相同；二是强相互作用的粒子可按同位旋分成一组组的多重态。

h介子和奇异粒子的发现1947年，M.孔韦尔西等人用计数器统计方法发现μ子并没有强作用，直接的证明是1948年由张文裕用云室研究μ子同金属箔直接相互作用得到的。

1947年C.F.鲍威尔等人在宇宙线中利用核乳胶的方法发现了真正具有强相互作用的介子，其后，在加速器上也证实了这种介子的存在。

它们的质量约是电子质量的270倍，带有正电荷或负电荷，被称为π±介子。

1950年发现了不带电的π0介子。

μ子后来则和电子以及中微子归于一类，被统称作轻子。

从此以后人类认识到的基本粒子的数目越来越多。

就在1947年，G.罗彻斯特和C.巴特勒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。

由于它们独特的性质，一种新的量子数──奇异数的概念被引进到粒子物理中。

在这些奇异粒子中，有质量比质子轻的奇异介子K±、K0和[粒子物理学] ；有质量比质子重的各种超子，包括Λ0、Σ±、Σ0、Ξ0和Ξ-等。

这些新发现的粒子，都是不稳定的粒子，除h0介子外（它的寿命是10-16秒），它们的平均寿命都在10-6～10-10秒之间，所以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。

这些发现了的基本粒子，加上理论上预言其存在，但尚未得到实验证实的引力场量子──引力子，按相互作用的性质，可分成引力子、光子、轻子和强子四类。

新粒子大发现和强作用SU⑶对称性的建立为了克服宇宙线流强太弱这个限制，从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，开始了新粒子的大发现时期。

到了60年代头几年，实验上观察到的基本粒子的数目已经增加到比当年元素周期表出现时发现的化学元素的数目还要多，而且发现的势头还有增无已。

1961年，由M.盖耳－曼及Y.奈曼提出的，用强相互作用的SU⑶对称性来对强子进行分类的“八重法”。

八重法分类不但给出了当时已经发现的强子在其中的位置，还准确地预言了一些新的粒子，如1964年用气泡室实验粒子物理学发现的Ω-粒子。

八重法很好地说明粒子的自旋、宇称、电荷、奇异数以及质量等静态性质的规律性。

在此阶段中，证实了不单电子，所有的粒子，都有它的反粒子（有的粒子的反粒子就是它自身，如h0、η等）。

其中第一个带电的反超子庙-是由中国的王淦昌等在1959年发现的。

此外，还发现了为数众多的寿命极短，经强作用衰变的粒子──共振态。

基本粒子大量发现，使人们怀疑这些基本粒子的基本性。

基本粒子的概念，面临一个突变。

这就是这个阶段终了时粒子物理在实验上的状况。

这个阶段理论上最重要的进展是量子场论和重正化理论的建立，以及相互作用中对称性质的研究。

量子场论和重正化理论的发展上一阶段对微观世界理性认识的最大进展是量子力学的建立。

经过一代物理学家的努力，量子力学能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收及辐射等等现象，特别是当它同狭义相对论结合而建立相对论性量子力学以后，它已经成为微观世界在原子、分子层次上的一个基本理论。

但是，量子力学还有以下几个方面的不足：①它不能反映场的粒子性；②它不能描述粒子的产生和湮没的过程；③它有负能量的解，这导致物理概念上的困难。

量子场论是由P.A.M.狄喇克、E.P.约旦、E.P.维格纳、W.K.海森伯和泡利等人在相对论量子力学的基础上，通过场的量子化的途径发展出来的，它很好地解决了这三个问题。

在量子场论领域中最早发展起来的是量子电动力学，它是把电磁场（光子场）和电子场都加以量子化，从而描述电子和光子的各种现象的一种理论。

40年代里，人们对这个理论中的发散困难作了深入的分析。

由于J.S.施温格、朝永振一郎、R.P.费因曼和F.J.戴森等人的努力，在解决这个问题上有了突破性的进展。

他们发现，如果重新定义理论中的质量和电荷，使之同实验的观测值相应，则量子电动力学中的无穷大结果不再出现。

这种消除无穷大结果的方法，叫做重正化理论。

它不但在原则上解决了量子电动力学中出粒子物理学现的发散困难，还提出了一整套按电子电荷的幂次展开的，直观的，用图形表示的逐级近似（微扰近似）的计算方法──费因曼图方法，使量子电动力学的计算有了简单可靠的、具有相对论协变性质的基础。

P.库什和H.M.福里1947年发现的电子反常磁矩，和由W.E.兰姆等发现的氢原子的2^2S1/2和2^2P1/2能级的分裂，只有通过量子电动力学的重正化理论才能得到正确的解释（见μ子和电子回磁比和兰姆移位）。

今天，量子电动力学已经经受了许多实验上的验证，成为电磁相互作用的基本理论。

探索强作用的基本理论50年代初证明了重正化的方法，也适用于强相互作用的汤川理论。

但这无助于使汤川理论成为强相互作用的基本理论，因为按强作用耦合常数的幂次展开级数是不收敛的，对于弱相互作用理论则更困难。