我小但我存在
中微子有10亿分之一氢原子的质量
天文学家终于发现，目前已知的最轻的基本粒子--中微子，具有10亿分之一氢原子的质量。这是天文学家们采用英国和澳大利亚望远镜"2度视场星系红移调查器"发现的。这一发现将在4月10日召开的英国国家天文学会议上发表。
这台望远镜已产生世界最大的由22万个星系组成的立体星系目录。30名天文学家组成的研究小组正在分析这个目录，以解答有关宇宙的基本问题。在宇宙中可能占有不到暗物质1／5的中微子通常以3种形式出现，长期被认为没有质量。近年来，日本等国科学家发现中微子有质量。天文学家现在知道，宇宙的可见部分诸如恒星和星系仅构成其总质量的一小部分。中微子与光没有相互作用，因此是宇宙中神秘不可见的暗物质的重要候选者。为了研究中微子对宇宙的影响，剑桥大学天文学研究所的埃尔加诺和拉哈夫领导的天文学小组，利用"2度视场星系红移调查器"绘制的星系分布，与宇宙模型中质量值不同的中微子状态下物质如何分布的理论计算进行了比较，得到的结论是，中微子的质量必定小于10亿分之一氢原子质量。同时他们认为，在宇宙中，中微子构成不到20％的暗物质，而其余的暗物质必定以目前尚不知道的形式构成。拉哈夫说，暗物质已困惑了天文学家70年之久，如果中微子确实有质量，宇宙中物质和能量的组成会比目前想像的更为复杂。未来几年内，科学家将完成对几百万个星系红移的调查，从而得到更为精确的中微子质量值。拉哈夫说，最新的宇宙学数据表明，宇宙是一个不可思议的暗地区，它可能像爱因斯坦最早提出的由宇宙常数代表的4种实体构成，其中3种颇为奇异：普通物质、中微子及另一种形式的暗物质，即所谓暗能量或真空状态能量。
来自10个国家的科学家组成的研究小组通过实验证实，基本粒子中微子具有质量的概率为99.99％。日本高能加速器研究机构和东京大学宇宙射线研究所的科学家参与了此项实验。
中微子是一种非常小的基本粒子，广泛存在于宇宙中，共有电子中微子、μ中微子和τ中微子三种形态，其中只有前两者能被观测到。它可以自由穿过地球，不与任何物质发生作用，因而难以捕捉和探测，被称为宇宙间的“隐身人”。
研究小组的实验包括中微子的发射和探测，以及分析。位于茨城县筑波市的高能加速器研究机构的研究人员利用120亿伏的质子加速器产生中微子，并向外发射，距发射地点250公里远的东京大学宇宙射线研究所则利用安装在地下1000多米深处的超级监测器SK，观测到了发射的中微子。根据理论值，研究人员最终应捕获到中微子150个，而实际捕获中微子的数量只有108个。
研究人员认为，未能捕获到的中微子在穿过大气和地球时发生了振荡现象，即从一种形态转换为另一种，变为检测不到的τ中微子。根据量子物理的法则，粒子之间的相互转化只有在其具有静止质量的情况下才可能发生。这说明，中微子具有静止质量。实验数据显示，中微子有质量存在的概率为99.99％。
研究人员将在下周于巴黎举行的一个国际会议上公布他们的研究成果。1998年，日本曾推断中微子具有质量，这次实验则是对推断正确性的验证。国际研究小组今后将继续收集有关数据，提高中微子产生后的观测精度和中微子震动观测精度。
从1987年人们观测到来自超新星的中微子至今，中微子的研究已经发展为基本粒子物理学及宇宙物理学的基础科学。研究小组的发现对揭开宇宙的物质和反物质之谜具有重要意义。 （记者 陈超）
图为东京大学宇宙射线研究所使用的研究设施———超级监测器SK。
集合天然粒子
在自然界中，有一些元素的原子核会放出射线，叫天然放射性同位素。提起放射性，人们脑海中会很快出现一个熟知的图画，这个图画告诉人们，有3种射线：α（氦原子核）、β（电子）和Y（光子）。y不带电，穿透本领大；β带负电，穿透本领次之；α带正电，穿透本领最小。
原子核为什么会放出粒子呢？前面谈到过中子的衰变：n→p＋e-+Ve。在原子核内，质子也会衰变：p一n＋e+Ve。我们看到，核内不但会放出β，还会放出正电子e+（β+），和正反电子中微子Ve和Ve放出α的解释比较复杂，但放出Y和X射线的问题比较简单：处在激发状态的原子核（能量较高），回到正常状态（能量较低，称为基态）时，以Y射线的形式，释放出多余的能量。而X射线的放出，则是原子中的内层电子，被原子核抓去后，多余能量的释放。
原子核放出粒子后，核的类型也要变化。如镭核放出α（氦核）后，变为氧核：226/88镭一222/86氡+α（4/2氦）下标是核内的质子数，上标为核内质子数加中子数的和，也叫质量数。同样，可以写出其他几种放射粒子的过程：3/1氚一3/2氦十β-22/11钠一22/10氖十β+55/26铁十e-一锰十X最后一个式子，是铁核俘获核外电子，放出X射线的过程。
天然放射性同位素，数量少，品种不多，提纯工艺复杂，价格很贵。所以，现在用的同位素，绝大多数为人工制取。
把介子从阿尔法物质上剥离出来波
从核聚变反应中挖掘无尽能量的尝试被证明是令人心焦的艰难。目前，科学家们仍然在使用能经受原子核聚变所需要的压力及温度的巨型反应堆。但还有一种方法，那就是让一种被称为介子的物质在原子核周围紧紧挤在一起。把介子从阿尔法物质上剥离出来。
以介子为触媒的聚变面临着两大障碍。目前，一个国际研究小组已经解决了其中一个问题。他们用一种干净利落的方法累计每个介子在衰减前所产生的核反应数量。与此同时，一个由日本物理学家组成的科研组正努力攻克一个难关。
介子首先取代一个围绕氚原子核--一种较重的氢的同位素--动行的电子从而形成介子氚，从而帮助了聚变的发生。此时如果加入一个氘原子核，就会产生一个复合原子核。环绕在该复合原子核周围的介子对其进行挤压直至其聚合形成氦原子核，或称为阿尔法物质。
因为介子进行挤压，所以并不需要高温高压。研究人员们不太愿意使用"冷聚合"这个词来描述这项技术。研究小组组长、在大不列颠省温哥华TRIUMF物质物理实验室工作的格林o玛修称"但这个过程的确比其他任何方法所经历的过程温度更低。"为了获得可观的产量，在介子氚接近氘原子核的过程中其能量必须维持在一个很低的水平上（在大约1个电子伏特）。在早期的研究工作中，研究人员使用的是"霰弹枪"的方法，就是向一个氘原子核目标散射带有不同能量的物质。然而玛修的小组发现，介子氚所携带的能量在1个电子伏特时，其将会从氚氢混合物中逃逸出来。玛修承认这只是一个偶然的发现。我们利用这个事实来遴选带有合适能量的原子。 研究人员们将一束带有1电子伏特的介子氚发射到被压缩到一片金箔上的氘且将整个过程冷冻到约3开氏度。当根据探测由此产生的阿尔法物质来测算每个介子所引发的聚变次数时。他们将发射比率提高到"霰弹枪"方法的100位。日本国家物理化学实验室的肯o纳哥麦恩称："这是一个非常有趣也非常重要的步骤。"
纳哥麦恩的研究小组正致力于攻克困扰介子聚变的另一个难题。在反应堆核中，每个介子在其自然生命周期完结之前得催化大约300次聚变。问题在于，在反应结束是时候带负电的介子很容易"贴"上带正电的阿尔法物质。
纳哥麦恩称，在适合的条件下介子会自由由解体。"我们已经发现了一种能产生高能反作用的设备，这种设备能把介子从阿尔法物质上剥离出来。"他补充道。
中子其实有电荷
以往的理论认为中子不带电荷，然而美国弗吉尼亚州汤马斯·杰佛逊国家加速器实验室最新的实验结果表明，中子的中心带有正电荷，中子的表面带有负电荷。汤马斯·杰佛逊加速器实验室在美国物理学会和美国天文学会共同举行的会议上，正式报告了这一最新研究成果。
几十年来，物理学家利用电子轰击核子（中子和质子）的实验来研究核子的结构。科学家认为，由电子散射的轨迹，有可能推测出核子的电荷和磁场的位置和强度。在以前的实验中，马斯·杰佛逊加速器实验室的研究人员已经发现，质子的电荷和磁场的分布是不同的。为了解中子的电荷结构，研究小组在实验中对冷氘进行了分析。冷氚是氢的同位素之一，含有一个中子和一个质子。他们绘制出约为中子直径4％的电荷分布图，分布图显示，中子内核带正电，而外层则带负电。
该实验室理论物理学家格罗斯认为，这项新的研究成果将有助于科学家在比中子更大或更小的规模上，更深入地了解物质。格罗斯说，实验数据清楚地显示出中子和质子的基本构块-夸克的相互作用和位置，这些数据也可能揭示出中子和质子本身如何排列以形成原子核。
找到了顶夸克
1995年3月，美国费米实验室的科学家宣布他们已经找到了顶夸克。他们用两台加速器CDF和DZERO分别捕捉到了顶夸克的踪迹。顶夸克的真实面貌在数万亿次的质子和反质子的高能对撞中逐渐地显现出来了。
质子和反质子在接近光速的对撞中产生了顶夸克和反顶夸克，顶夸克差不多立即分裂成物理学家可以察觉到的其他粒子显示出来。然而，由于其他亚原子微粒能模拟顶夸克的某些特征，因此，研究人员必须留意将真正的顶夸克衰变和那些"背景"事件区分开来。
从数万亿次的对撞中，CDF小组识别出顶夸克出现的事件约40次，这其中可能还有12次的背景事件。从这些资料中，物理学家们算出顶夸克的质量为1760亿电子伏(表示能量的单位)，正负误差为130亿电子伏。
DZERO小组发现了17次顶夸克出现的事件，他们算出的顶夸克质量为1990亿电子伏，正负误差为300亿电子伏。
由于两台探测器是不相同的，所以记载的资料也不相同，但是产生粒子的物质过程和与探测器发现的粒了应该是一样的。
丛原子到基本粒子
--向亚原子的世界进军
寻找基本粒子之路：
卢瑟福发现了原子核以后，原子研究成为物理学家的热门研究领域，原子不可分的观点消声匿迹，物理学家们不仅不再相信原子是物质的最小组块，而且认为比原子小得多的原子核也是一个庞大而神秘的家族。
物理学家们全力以赴探讨原子学中的三大问题：第一，如何描绘可供人们直观想象的原子核 蓝图。第二，原子核中的作用力是何种性质的力?第三，原子核中的各种成员受什么力学规 律支配? 回答这三个问题都牵涉到原子核中的一些更小的微粒，也就是原子核物理中所说的基本粒子。
物理学家们尽管已抛弃了原子不可分的观点，但忍不住还是要问物质究竟是由哪些基本粒子组成的呢?这个问题提出本身就隐含着一种在认识论上尚有分歧的假设，即物质可以被分成最基本的单位。因此基本粒子的提法受到了许多哲学家的批评，但寻找基本粒子却成了世界物理学家共同的目标。物理学家认为，在一定层次结构范围内，寻找基本粒子仍然是有意义的工作。
科学家发现希格斯玻色子存在的迹象
参与欧洲核子研究中心大型正负电子对撞机(LEP)研究项目的科学家最近透露，他们在实验中发现了一些表明希格斯玻色子存在的迹象。
据报道，参加该项目的日本东京大学副教授川本辰男以及美国普林斯顿大学的塔利等科学家，近日在不同场合分别宣布了上述消息。该成果如果得到进一步实验的证实，将是粒子物理 学领域的又一重大发现。
英国物理学家希格斯最早在30年前预言了希格斯玻色子的存在，但科学家至今没找到它的踪迹。希格斯玻色子被认为是物质质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础。按理论假设， 其它粒子在希格斯玻色子构成的"海洋"中游弋，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。希格斯玻色子对完善粒子物理学理论有重要意义。经过长时间的研究和探索，科学家们曾建 立起被称为标准模型的粒子物理学理论。该标准模型以夸克、轻子作为基本粒子，以弱电统 一和量子色动力学理论为主要框架。标准模型预言了62种基本粒子的存在，这些粒子几乎都已被实验所证实，希格斯玻色子是最后一种未被发现的基本粒子。因此，寻找该粒子，被有人比喻为粒子物理学领域的"圣杯"。
但希格斯玻色子仅能以瞬间存在，因此起来难度极大。为"捕捉"该粒子，物理学家们通常 采取的办法是让高速运动的粒子相互撞击，如果碰撞过程中产和足够主的能量，这些能量就 有可能转化为物质，形成希格斯玻色子。由此形成的希格斯玻色子往往很快就衰变为其它一 些粒子，衰变后的粒子有特定的组成，据此可间接证明希格斯玻色子的存在。
欧洲核子研究中心的科学家对利用大型正负电子对撞机进行的4项实验的观测数据进行分析后，发现了一些"非同寻常的解释，也就是说，他们在实验中获得了希格斯玻色子。但他们也指出，目前的观测结果尚不足以下最后的结论，仍需要进一步的实验数据才能确认其可靠性。
夸克—胶子等离子体
现有宇宙理论认为，宇宙形成于距今约120亿至150亿年前的一次“大爆炸”。宇宙“大爆炸”后的极短瞬间会形成超高能量密度，这使得一种称为“夸克—胶子等离子体”的物质能够在约10微秒（1微秒为百万分之一秒）的极短时间内充斥宇宙，然后再凝聚结合形成原子核等物质。但迄今科学家们还难以对这一理论假设进行检验。
欧洲核子中心的最新研究成果使得科学家们能够验证“大爆炸”数微秒后的宇宙景象。这项重大突破不仅使物理学的研究疆域拓展至接近宇宙诞生初始，而且对考察宇宙的起源、物质的本性以及对验证现有的粒子物理标准模型等都有重要意义。
近代物理学研究认为，原子的构造单元是质子和中子等亚原子粒子，而亚原子粒子又由夸克等更微观的基本粒子构成。夸克间通过强力作用组合成质子和中子，而这种强作用力主要通过另一种名为胶子的基本粒子来传递。
通常情况下，夸克由于受到强作用力而被子约束于原子核尺度内，自身无法独立存在。但现有一些理论假设认为，足够大的能量和温度应该能拆解质子和中子，并使夸克和胶子重新结合形成所谓“夸克—胶子等离子体”。“夸克—胶子等离子体”是与质子和中子不同的另一种新型物质形态。
为了拆除束缚夸克的强作用力，参加“重离子”计划的科学家利用铅离子互相撞击产生的超高能量进行实验。
通过对多年实验的数据进行综合分析，科学家最近终于发现，在铅离子的碰撞中有新的物质形态产生，其特征与理论预测的“夸克—胶子等离子体”的很多特征相符。
欧洲核子研究中心的公报指出，新成果证明了现有的一些对夸克间基本作用力的预测是正确的，同时也是在了解宇宙早期演化方面向前迈出的重要一步。新成果是国际物理学界通力合作的产物，包括中国在内的20个国家的约500名科学家参与了“重离子”研究计划。
美国费米国家实验室的科学家发现
子中微子存在的直接证据
吴伟农编译
美国费米国家实验室7月21日宣布，该实验室中来自美国、日本、希腊和韩国的科学家经过3 年的合作研究，首次发现了表明t子中微子存在的直接证据。至此。粒子物理学标准模型中 的12种基本粒子已全部被直接探测到。
参加这一研究的美国加利福尼亚大学物理学家菲利普·雅格尔说，发现t子中微子存在的直 接证据具有重要意义，它使得科学家对物质基本粒子有了完整的认识。
按照粒子物理学标准模型，物质由12种基本粒子构成，它们包括6种夸克和6种轻子。夸克包 括下、上、奇异、粲、底、顶6种，轻子则包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、t子和t子中微子。此前，科学家通过实验陆续探测到了除 子中微子外的其他11种基本粒子 ，但却一直没有发现t子中微子存在的直接证据。
1978年，美国期坦福大学物理学家马丁·佩尔从理论上证明了t子中微子的存在，但由于t子中微子不带电，又几乎不与周围物质相互作用，科学家很难直接探测到它。
1994年，雅格尔指导的一名学生——加利福尼亚大学研究生维多里奥·保罗内和费米实验室 的物理学家布雷南·伦德博格提出了“t子中微子直接观测器”的构想，这一想法得到费米 国家实验室的支持。直接观测器于1996年建造完成。从1997年开始、美、日、希、韩的54名 科学家用它探测t子中微子。
科学家的具体操作过程是，用粒子加速器制造一股可能含有t子中微子的中微子束，然后让 中微子束穿过“t子中微子直接观测器”内一个约1米长的铁板靶。这一铁板靶被两层感光 乳剂夹着，感光乳剂类似于胶卷，能够“记录”粒子与铁原子核的相互作用。物理学家用3 年时间从靶上的600多万个粒子轨迹中鉴定出了4个表明 轻子存在和衰变的痕迹，而t轻子 是表明t子中微子存在的关键线索。据科学家计算，几十万亿个t子中微子中才能有1个与 靶中的铁原子核相互作用并生成1个t轻子，因而此次鉴定出t轻子存在及衰变的痕迹就是 直接证明了t子中微子的存在。
因发现t轻了而获1995年诺贝尔物理学奖的马丁·佩尔说，证实t子中微子的存在具有里程 碑的意义。佩尔指出，费米实验室的研究开辟了一个全新的世界，科学家将有机会获得更多 关于其他粒子的认识。
科学家同时表示，找到t子中微子存在的证据并不意味着中微子物理学篇章的完成。研究人员正在探索中微子是否有质量，其结构就有可能影响粒子物理学的标准模型，并使人们对宇宙演化、构成等有更深的认识。
中子与中子弹
达砾
1999年5月25日，以美国众院政策委员会主席考克斯为首的调查委员会，无端指责中国窃取了美国尚未部署的中子弹。这完全是使用谎言加捏造编制出来的。
有的读者看到这里也许会问：中子弹是一种什么武器？它与核武器有什么不同？
原子弹和氢弹，我们大家都很熟悉了，原子弹、氢弹、中子弹是核武器家族中的3个重要成员。为了了解中子弹，我们有必要了解一下什么叫“中子”。
中子是构成物质原子核的基本粒子之一，它的质量与质子相同。中子不带电，从原子核分裂出来的中子很容易进入原子核，人们利用中子的这个特性，用它轰击原子核来引出核子反应。这就是中子弹。
中子弹在爆炸释放大量的高能中子，是以高能中子辐射为主主要杀伤的小型氢弹。
我们知道，每一种武器都具有和辐射、冲击波、光辐射等杀伤力，中子弹也有核武器的这些特性，但是中子弹的杀伤特性主要不是在这些方面，中子弹主要是靠中子的辐射起到杀伤作用，它可以在有效的范围内杀伤坦克装甲车辆或建筑内的人员。如果有一个100吨TNT（即黄色炸药）当量的中子弹，在距离爆炸中心800米的核辐射剂量，是同等当量的裂变核武器的几十倍，但是她爆炸时产生的冲击波对建筑物的破坏半径只有300米~400米。也就是说，如果有一枚千吨级当量的中子弹在战场上爆炸，那么800米范围内的人员会被杀伤，被杀伤的人员并不是马上死去，而是慢慢地非常痛苦第死去，受伤者最长可以拖过7天的时间。在中子弹爆炸的300米范围之外的建筑和设施，可以毫发不损，可是建筑物中的人员却不能幸免于难。中子弹的这种特性，很适合在战场上作为战术核武器使用。
中子弹是什么时候诞生的呢？它诞生于50年代，是由美国加州大学的一个实验室开发而成的。随后，掌握了核武器的国家纷纷开始研制中子弹。1981年，卡特总统批准了中子弹的生产计划。里根总统上台后，下令生产“长矛”导弹的中子弹头和可以用榴弹炮发射的中子弹头。美军现在已经有了203毫米榴弹炮的中子弹头和155毫米中子弹的弹头。这两种用炮弹发射的中子弹是目前世界上当量最小的中子弹。目前中子弹并没有在战场上投入使用。
中子弹可以用飞机、导弹、榴弹炮来发射。美、英、法、俄的许多战斗机经过改装都可以发射带有中子弹头的对地导弹。
目前世界上有哪些国家具备了生产中子弹的能力呢？可以毫不夸张地说，凡是拥有氢弹的国家，都具备了生产中子弹的能力。
高能粒子和高能物理
毫无疑问，原子核中的一些更小的微粒，在一种巨大的力量的作用下，紧紧地抱成一团，绝不可能将它们轻易分开，必须用威力强大的“炮弹”进行轰击。然而，到哪儿找这种“炮弹”呢？卢瑟福在天然放射性元素中找到了这种特殊的“炮弹”—α粒子，用它成功地轰破了氮核。
卢瑟福用α粒子轰破了氮核，但在用它轰别的核时就发现这颗“炮弹”威力不尽如人意。如果没有威力更强大的“炮弹”，原子核内的一些小微粒那会自动跑出来呢？在这个问题面前，原子物理学家改换了攻击方向，他们箱，宇宙中的恒星发生核反应时，一定从原子核里面跑出来了一些更小的微粒，通过对宇宙射线的研究，一定可以达到寻找“基本粒子”的目的。这个改变的确收到了成效，有人在宇宙射线中找到了新粒子。
但原子物理学无论如何也不会满足靠天吃饭的状况，他们最希望得到威力强大的人造“炮弹”，这里所说的“炮弹”，就是高能粒子，因为拥有巨大动能的粒子才可能钻到原子中去，击破原子中的堡垒—原子核。
要得到高能粒子，只有两条可供考虑的途径，一是祈求大自然的恩赐，在大自然中找到理想的例子。二是依赖智慧的力量，制造出能输送强力炮弹的武器。事实上，第一条途径只是理性分析中的一种设想，它没有实用价值，即使上天能够施舍一些符合试验要求的高能粒子，它们也会自由来去，不服从人的指挥。人类的唯一选择只有一条——艰苦奋斗，自力更生。沿着后一条思路，科学家们终于研制出了深入基本粒子世界的利器——高能粒子加速器，并陆续发现了一个亚原子的更加微观微妙的小世界。
质子-第一个被发现的粒子
在原子量是整数的元素中，第1号元素氢的原子量是1；第2号元素氦的原子量是4；第3号元素锂的原子量是7；第6号元素碳的原子量是12；第7号元素氮的原子量是14；第8号元素氧的原子量是16。把同位素考虑在内，这些原子量始终是氢原子量的整倍数。鉴于这一现象，和用α粒子轰击轻的原子释放氢核的事实以及其他种种原因，卢瑟福得出的结论是：每个原子核都由氢核构成。于是，普罗特百年前认为组成万物的元素都是氢原子构成的理论重新得到确认。
于是，卢瑟福把分量最轻的氢原子的核看作所有原子的建筑石料棗看作一切材料中的基本材料。因为这些氢核很重要，所以用希腊文“Protos”（第一）一词，命名其为“Protos”（质子）。
发现了中子
自卢瑟福把原子描绘为一种微型太阳系以来，人们一直在试图说明原子的构造，但却是枉费心机，原子核的谜越来越不可思议。直到1930年，德国科学家波特和贝克发现原子序数是4的轻金属铍，在α粒子轰击下发射出一种穿透力极强而且不受电场或磁场影响的射线。1932年，居里夫人的女儿伊莲娜和她的丈夫弗里德里克·约里奥发现，这些奇妙的新射线，将运动速度极快的氢核，从煤油中释放出来。这些射线不可能是电磁射线，所以它们肯定是由粒子组成的。然而，这些不受电场和磁场影响的是什么样的粒子呢？科学再一次面对不解之谜……
卢瑟福的学生查德威克借助于云室，破译了这个大谜团。查德威克利用在云室拍下的照片，发现除了α粒子的各种轨迹以外，照片上还显示出两处极其吻合的东西。第一处碰撞的痕迹表明一个神秘的粒子被释放了。而第二处看到的不知来头的速度极快的氢核行迹，它只有在原子核同飞快的射弹发生碰撞时才会产生。查德威克认为第一次碰撞释放的、不明去向的粒子正是造成第二次碰撞的、不知来头的射弹。但它是什么样的粒子呢？
因为它在云室中没形成痕迹，并且不受磁场或电场的影响，这表明它不带电，是中性的，所以被称为“中子”。查德威克能够确定，中子的重量，或者说质量，几乎跟氢核的质量一样。就这样，能够击破原子核的中子被发现了。
正电子的发现
193O年，美国物理学家安德森在他年仅25岁时已获得哲学博十学位，但安德森选择的主要研究工作是探索宇宙射线。无空的大气层会吸收和削弱宇宙射线，为了从宇宙射线中找到新射线，安德森多次乘坐气球升入高空，进行观测实验。
安德森坚信从中可以找到新的粒于，在一次研究宇宙微粒的运动状态时，安德森选用了威尔逊云室，并使云宝置入一个强磁场之中，通过公室，他拍了1000多张宇宙微粒运动的轨迹图片，然后，他又一张一张地仔细分析，就像间谍专家分析情报一样，唯恐漏掉一个细节。结果，他真的发现了宇宙透露的有价值的情报。他发现了一种与众不同的照片，一个好像是电子的微粒被磁场引向左边，但如果是电于的话，它应该向右偏。
经过反复研究，安德森发现这正是狄拉克四年前所预言的“正电于”。1932年，美国的一份科普杂志用一个很不显眼的版面报道了安德森的发现。这篇具有划时代意义的文章最初受到了委屈，但它并没有被埋没，它不仅证明了狄拉克的光辉预言，使一个精美的量于理论昂起头来，而且打开了反物质世界的大问。因此，他于1936年荣获诺贝尔物理学奖。
当安德森赴斯德哥尔摩领奖时，接待员对他很不客气地说：“先生，请回去告诉你的父亲，得奖的人从来没有打发儿子来代领奖金的，基金会宁愿由银行汇给他本人，也不愿讣他的儿于经手。”“先生，是谁告诉您说，得奖的是我父亲而不是我呢，显然，接待员不相信这样年轻的人会获得诺贝尔奖，当时这位获奖者只有31岁。
轻子
轻子都是弱相互作用的粒子，它们只参与弱相互而不参与强相互作用，它们都被认为是类点的、无结构的粒子。最为人怕熟悉的轻子就是电子，一个极轻的粒子(约是一个核子质量的1/1800)，带1个单位的电荷，电子还参与电磁相互作用。
轻子有3种，电子、μ子、τ子。与这3种轻子相伴的轻子称为中微子，中微子不参与电磁的相互作用。
夸克
夸克是兼有强相互作用和弱相互作用的粒子。夸克首先是从理论上推导出来的，以后才陆续发现。最后一个夸克--顶夸克于1995年初才被发现。
夸克有6种，划分3对，分别是上夸克u和下夸克d，奇异(s)和粲夸克(c)，以及顶夸克(t)和底夸克(b)。
夸克之谜
——一场从中国走向世界的科学辩论
人们一般都认为：物质是由分子构成的，分子是由原子构成的，原子是由电子、质子、中子等基本粒子组成的，而基本粒子则是由比基本粒子更基本的亚粒子组成的。亚粒子也就是人们常说的“夸克”或 “层子”。
分子、原子和基本粒子，人们不仅通过实验找到了，而且巳经在实际应用。而夸克（或层子）自从 60年代科学家们提出这一设想后，全世界的物理学家花费了巨大的财力、物力和人力，设计出了多种夸克模型，建造高能电子对撞机。虽然一些实验现象“证实”夸克（或层子）的存在，然而单个的夸克（或层子）至今未 找到，人们始终不识庐山真面目。对此，粒子学家们的解释是：因为夸克（层子）是极不稳定的、”寿命极短的粒子，它只能在束缚态内稳定存在，而不能单个存在。
1996年2月26日，《光明日报》发表了天津大学崔君达教授的文章《夸克存在吗》，向“夸克说”提出了质疑。崔说，早在1979年3月，他在全国第一次数学物理讨论会上，对SU3（夸克模型）中的“3”，提出了一个全新的理论，即复合时旧论。按照这个理论，夸克模型中的夸克，层子模型中的层子，以及Higgs粒子都是不存在的！“人们不论上天入地去寻找，夸克总是杳无踪影”。
1993年10月美国国会在经过了长期听证之后通过了一个决议：停止给已执行了4年的SSC（超高能超导对撞机）工程计划拨款。
崔教授的文章实际上是关于“夸克是否存在”的争鸣的开始。其后，《人民日报》、《光明日报》、《中国科学报》、《科协报》等7家中央报纸的8位资深记者致书中央领导，建议中央慎重考虑是否实行基础科学理论的战略转移，暂缓或减少对“层子说”研究的拨款。
中央领导指示国家自然科学基金会于1996年8月6日召开有关科学家的会议，研讨崔君达教授的文章和8位记者的信件。应邀参加会议的绝大部分是赞成“层子说”的粒子学家，崔本人和8位记者均未被邀请。会议由著名物理学家、北京大学校长陈佳洱主持，何祚麻院士做了典型发言，何院士称：“全世界有那么多物理学家做了那么多的实验，都充分证实了夸克或层子的存在。夸克的存在是全世界物理学家公认的，是不容置疑的。”何院士说崔教授的“复合时空论”是“病态科学”，崔教授是“病态科学家”。并于1996年9月2日将此发言稿发表于《科技日报》上。
1996年12月2日，《科技日报》又发表了崔君达教授反驳何祚麻院士的文章《复合时空论并非病态科学》。崔在文中进一步指出：物理学界并非全都公认夸克的存在。不同意见早在70年代就有了。我国物理学家朱洪元，诺贝尔奖得主、量子力学奠基人海德堡都认为：全世界许许多多物理学家花了那么大的力量寻找夸克，如果夸克真的存在，早就应该找到了。
崔在文中还特别提到：1994年，首先提出夸克模型之一的M·盖尔曼写了一本《夸克与美洲豹》的书。他在书中说，他提出的SU3中的U3实际上是一个数学符号，并不代表“实在的”夸克这东西，物理学家们把它误解了。他最后宣称：“我不相信夸克是有的。”
在《科技日报》发表崔君达文章的同一天，《中国科学报》也发表了诺贝尔奖得主李政道教授于1996年10月3日的一个讲演。李在讲演中指出：“……另一个谜是，所有强作用的粒子都是由夸克组成的，但是我们却不能把单个的夸克分离出来。”其实，早在1993年李政道在清华大学讲演时就提出这一问题了。
李政道把夸克（或层子）是否存在称做一个至今未解开的谜。
这场公开的争论在中国历时两年多、在中国展开的这场争论，已引起了国际科学界的注意。美国物理学界向崔君达约稿，崔君达的《SU3理论中夸克假设是不需要的》一文，发表在1999年第4期的美国《强子》杂志上，并被收人《本千年中悬而未决的科学基础问题》文集，被美国国会图书馆收藏。美国基础科学研究所所长R·M·Santilli专门为崔的文章写了一篇很长的评论。他在评论中说：“……夸克是物理实在的粒子的信条是一个真正的科学欺骗，特别是由所谓‘专家’说出来的时候。实际上夸克只能在SU（3）对称的纯数学的U空间中定义，而不能在实在的时空中定义。”看来，在世界范围内一场关于夸克和层子是否存在的论战已不可避免。这一场大论战是从我们中国科学家之间开始的。这一事实说明：我们中国现代物理学已有很深厚的根基。
怎样感知粒子的存在
感知粒子的存在，靠的是粒子与物质的作用。例如，带电粒子，在物质中会引起电离，就是把原子中的电子打出一些。因为原子核带的正电，与核外电子的负电一样多，这样，原子核和剩下那部分电子整体对外显正电，称为正离子。如氩原子，核中有18个质子，核外有18个电子，正好是电中性的。一个a粒子，把它的电子打出一个，这时氩原子就带一个正电荷，形成氩+（氩离子或带正电荷的氩粒子，以后如不特别指出，我们将不区分“离子”和“粒子”）。如果a粒子很多，那么氩+与电子就很多，叫形成了氩+与电子的等离子体，意思是氩+与电子的数目一样多。把这个等离子体放在电场中后，因同性相斥、异性相吸的道理，电子就跑向正极，氩+移向负极。结果，可在外电路里输出电流。这就不但测出了带电粒子（这时是入射的a粒子）的存在，而且可测出其强度。用这种方法，可以做成电离室和计数管（室内、管内充氩气）。前者一般只测量粒子引起的平均电流，后者能测出粒子的个数。而且改变计数管外加电压的大小，从输出电压的不同幅度，还可判定入射粒子的类型和能量。
以上的讲述，只是判定了粒子的类型、强度和能量，并未看到粒子。但是，人们也发明了能够“看到”粒子行踪的仪器，云室即其一种。众所周知，水蒸气过饱和后，就会结成水珠。云室就是装有饱和水蒸气或酒精汽的容器。当粒子穿过时，让其温度突然降低，这时水汽即刻达到过饱和，在粒子的行踪上，因电离形成了凝结中心，首先结为水珠链，这就而出了粒子的径迹。
类似的道理，人们又发明了泡室。它是个密封容器，内中装满某种液体，其温度达液体的沸点以上，但因压力大，液体并不冒泡和沸腾。当粒子经过时，突然减压，粒子路径上产生电离离子的中心上，首先形成汽泡，从而显出粒子的径迹。
另一类粒子径迹探测器，是原子核乳胶。它实质上是感光后较厚的照相底片，只不过其配方对粒子更灵敏罢了。它是同体中显现粒子径迹的设备之一，在粒子物理中，立下过汗马功劳。
所有观测粒子径迹的仪器，都可以放在磁场中，来观测径迹的弯曲度。因粒子的质量、能量不同，弯曲度也不同。这样，就使不同类型、不同能量的粒子，得以辨认。
Y射线的电离较弱，用上述力法不易观察，但当它射入荧光体（如碘化钠晶体、塑料闪烁体等）时，会发出荧光，用光电放大器（通常叫光电倍增管）放大后，会输出电脉冲，从而可查知y射线的存在。
粒子探测器的类型还有很多。但大都离不开电离和发光。把它们组合起来，可以完成对各种粒子特性的测量。它们是粒子应用中的尺子、天秤和眼睛。
把粒子释放出来
用钢筋、水泥、砖块和木料，可以建起摩天大楼，但是，大楼一旦建成，这些建筑材料，就无法移作他用了。
构成物质的粒子，情况也类似，平时处于物质之中，永久执行着天然赋予的使命，人类无法充分利用其其他功能。只有把粒子分离出来后，才能调动它们，控制它们，使它们干各种各样的事情。
把粒子从物质中分离出来的方法有两种，一为集合天然粒子（提纯天然放射性同位素），一为人工制造粒子，它包括制造人工同位素和用原子击碎（或称粒子加速器）制造新粒子。此外，还需要建立感知粒子存在的装置，因为粒子都是肉眼凡胎的人，看不见摸不着的。
工制造粒子
古代人，曾希望能点石成金。这个愿望，现代人算是彻底实现了，现在技术发达的程度，几乎能够说，人类可以随心所欲地改变物质的种类，这从人造粒子的技术中，就可以一目了然。
人工制造粒子，包括制造放射性同位素和直接制造粒子两方面。后者在下面再作介绍，这里先讲讲人工放射性同位素。目前通用的方法有两种：使用加速器或反应堆。
用加速器（能够使粒子获得很高能量的装置）发出的高速质子、氘核和a粒子等作“炮弹”，轰击各种原子核，可以制出多种放射性同位素。如医学上常用的57/27钴，就是用氘核作“炮弹”，轰击56/26铁而得到的。其反应式为：56/26铁十2/1氘一57/27钴十n
常简写为56铁（d，n）57钴。因铁和钴在元素周期表中的位置，正好是26和27，下标可以省去。加速器运转费用昂贵，生产效率又不如反应堆高，所以，它一般只生产那种反应堆生产不出的多质子同位素。
反应堆，是可以产生很强中子流的原子锅炉。它既然可以大量产生中子，其本身就是一种释放中子的装置。中子的很多应用，可以直接在反应堆上进行。中子不带电，易被原子核“俘获”。反应堆中子流很强，所以生产效率高而成本低。目前大多数放射性同位素，都是反应堆生产的。常用的60钴源，即其一例，反应式为： 59钴十 n－－60钴十 y简写为59钴（n，Y）60钴。60钴是目前最强的人工Y射线源之一。
目前已知的α、β、y、X放射性同位素有上千种，我们选几个常用的写在下表中。表1.3-1常用放射性同位素举例说明：①半衰期：表示放射性强度，衰减到原来强度一半所用的时间。 ②55铁的 X射线能量单位为 KeV，其中 K＝ 103； KeV叫千电子伏。③制法中，反应式的产物略写，因为它与同位素名称相同，也可由入射、出射粒子及被照射核的关系推出。所以，一般可以不标出。
直线加速器的原理
加速器是由三根用绝缘材料制成的高柱和在它们中间的加速器管组成。加速器靠真空泵保持真空。外表流线型，不仅仅是为了美观，而且是为了防止从任何棱角或突出部分形成意外的放电。
在加速器管中有金属圈，它们同高压发生器相连的方式能使一系列金属圈的负压由底部向顶端逐渐升高。生产质子的离子源安装在加速器管的上端。带正电的质子由于受到带负电的金属圈的吸引而顺管射下——由于下面的金属圈的负电压不断增大，质子的速度也不断增大。在加速器管的地端的地板下面，有一间装有接收器的小室，质子能够在这里同物质碰撞，在此过程中，轰击能够引起原子核的蜕变。
医用电子直线加速器
回旋加速器的内部构造
回旋加速器现在已经发展为现代的同步加速器了。2O世纪欧洲原子能研究组织在日内瓦附近使用的加速器，就是这类机器中最大的一座，包括一条长逾8.5千米的粒子轨道。粒子在一条10余厘米直径管子里前进，管于则藏在地下隧道内。粒子在这轨道中循环运行，每三秒钟约环绕1十万次之多，由数以百计的电磁铁导引，每统一周，加速粒子的电压便增加数百万伏特，最后放出的粒子能量相当于从.5000亿伏特直线加速器所得到的能量。
考克罗夫特和瓦尔顿建成 第一座发生器前，物理学家认为原于只是山电于和质子构成。加速器制成后，便把这种想法完全打破，因为数以百计的新粒于在高能碰撞中陆续出现了。
英国物理学家卢瑟福
1919年英国科学家卢瑟福(E.Rutherford)用天然放射源中能量为几个MeV、速度为2×109厘米/秒的高速α 粒子束（即氦核）作为“炮弹”，轰击厚度仅为0.0004厘米的金属箔的“靶”，实现了
人类科学史上第一次人工核反应。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得了粒子散射的分布，发现原子核本身有结构，从而激发了人们寻求更高能量的粒子来作为“炮弹”的愿望。
静电加速器（1928年）、回旋加速器（1929年）、倍压加速器（1932年）等不同设想几乎在同一时期提了出来，并先后建成了一批加速装置。
美国科学家柯克罗夫特
1932年美国科学家柯克罗夫特（J.D.Cockcroft）和爱尔兰科学家沃尔顿(E.T.S.Walton)建造成世界上第一台直流加速器——命名为柯克罗夫特-沃尔顿直流高压加速器，以能量为0.4MeV的质子束轰击锂靶，得到α 粒子和氦的核反应实验。这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应，因此获得了1951年的诺贝尔物理奖。
爱尔兰科学家沃尔顿
美国科学家凡德格拉夫
1933年美国科学家凡德格拉夫(R.J.van de Graaff)发明了使用另一种产生高压方法的高压加速器——命名为凡德格拉夫静电加速器。 以上两种粒子加速器均属直流高压型，它们能加速粒子的能量受高压击穿所限，大致在10MeV。
凡德格拉夫的实验装置
劳伦斯与回旋加速器
奈辛(G.Ising)于1924年，维德罗(E.Wideroe)于1928年分别发明了用漂移管上加高频电压原理建成的直线加速器，由于受当时高频技术的限制，这种加速器只能将钾离子加速到50keV，实用意义不大。但在此原理的启发下，美国实验物理学家劳伦斯(E.O.Lawrence)1932年建成了回旋加速器，并用它产生了人工放射性同位素，为此获得了1939年的诺贝尔物理奖。这是加速器发展史上获此殊荣的第一人。 由于被加速粒子质量、能量之间的制约，回旋加速器一般只能将质子加速到25MeV左右，如将加速器磁场的强度设计成沿半径方向随粒子能量同步增长，则能将质子加速到上百MeV，称为等时性回旋加速器。
前苏联科学家维克斯列尔
为了对原子核的结构作进一步的探索和产生新的基本粒子，必须研究能建造更高能量的粒子加速器的原理。1945年，前苏联科学家维克斯列尔(V.I.Veksler)和美国科学家麦克米伦(E.M.McMillan)各自独立发现了自动稳相原理，英国科学家阿里芳特(M.L.Oliphant)也曾建议建造基于此原理的加速器——稳相加速器。
美国科学家麦克米伦
自动稳相原理的发现是加速器发展史上的一次重大革命，它导致一系列能突破回旋加速器能量限制的新型加速器产生：同步回旋加速器（高频加速电场的频率随倍加速粒子能量的增加而降低，保持了粒子回旋频率与加速电场同步）、现代的质子直线加速器、同步加速器（使用磁场强度随粒子能量提高而增加的环形磁铁来维持粒子运动的环形轨迹，但维持加速场的高频频率不变）等。 自此，加速器的建造解决了原理上的限制，但提高能量受到了经济上的限制。随着能量的提高，回旋加速器和同步回旋加速器中使用的磁铁重量和造价急剧上升，提高能量实际上被限制在1GeV以下。同步加速器的环形磁铁的造价虽然大大减少，但因横向聚焦力较差，真空盒尺寸必须很大，造成磁铁的磁极间隙大，依然需要很重的磁铁，要想用它把质子加速到10GeV以上仍是不现实的。
1952年美国科学家柯隆(E.D.Courant)、李温斯顿(M.S.Livingston)和史耐德(H.S.Schneider)发表了强聚焦原理的论文，根据这个原理建造强聚焦加速器可使真空盒尺寸和磁铁的造价大大降低，使加速器有了向更高能量发展的可能。这是加速器发展史上的又一次革命，影响巨大。此后，在环形或直线加速器中，普遍采用了强聚焦原理。 美国劳伦斯国家实验室1954年建成的一台6.2GeV能量的弱聚焦质子同步加速器，磁铁的总重量为1万吨。而布鲁克海文国家实验室33GeV能量的强聚焦质子同步加速器，磁铁总重量只有4千吨。这说明了强聚焦原理的重大实际意义。
美国科学家李温斯顿
美国科学家科斯特
以上主要介绍的是质子环形加速器，对电子加速器来说情况有所不同。1940年美国科学家科斯特(D.W.Kerst)研制出世界上第一个电子感应加速器。但由于电子沿曲线运动时其切线方向不断放射的电磁辐射造成能量的损失，电子感应加速器的能量提高受到了限制，极限约为100MeV。电子同步加速器使用电磁场提供加速能量，可以允许更大的辐射损失，极限约为10GeV。电子只有作直线运动时没有辐射损失，使用电磁场加速的电子直线加速器可将电子加速到50GeV，这不是理论的限度，而是造价过高的限制。
加速器的能量发展到如此水平，从实验的角度暴露出了新的问题。使用加速器作高能物理实验，一般是用加速的粒子轰击静止靶中的核子，然后研究所产生的次级粒子的动量、方向、电荷、数量等，加速粒子能参加高能反应的实际有用能量受到限制。如果采取两束加速粒子对撞的方式，可以使加速的粒子能量充分地用于高能反应或新粒子的产生。
意大利科学家陶歇克
1960年意大利科学家陶歇克(B.Touschek)首次提出了这项原理，并在意大利的Frascati国家实验室建成了直径约1米的AdA对撞机，验证了原理，从此开辟了加速器发展的新纪元。 现代高能加速器基本都以对撞机的形式出现，对撞机已经能把产生高能反应的等效能量从1TeV提高到10～1000TeV，这是加速器能量发展史上的又一次根本性的飞跃。
Frascati的AdA对撞机
自世界上建造第一台加速器以来，七十多年中加速器的能量大致提高了9个数量级（参见左图），同时每单位能量的造价降低了约4个数量级，如此惊人的发展速度在所有的科学领域都是少见的。
随着加速器能量的不断提高，人类对微观物质世界的认识逐步深入，粒子物理研究取得了巨大的成就。
