我國粒子物理研究進展———50年回顧
|戴元本1 顧以藩2
(1 中國科學院理論物理研究所)
(2 中國科學院高能物理研究所)
本文選自《物理》1999年第9期
摘要：文章從實驗和理論兩個方面回顧了50 年來我國粒子物理研究的發展過程和成就。
關鍵詞：中國粒子物理，實驗，理論
新中國成立前後，正值粒子物理學形成爲物理學的一門獨立分支學科並開始迅速發展的時期。粒子物理亦稱高能物理，40 年代後期和50 年代初μ子的辨認，π，K，Λ等一系列新粒子的發現和量子電動力學的驚人成功，開闢了物理學的一個嶄新天地。又以π介子束在高能加速器上的人工產生作爲歷史標誌，突破了依賴宇宙線開展實驗的限制，從此開始了對於亞原子核層次微觀世界物理現象的精細系統的研究。半個世紀以來，粒子物理學蓬勃發展，取得了許多輝煌成就。在這樣的背景下，伴隨着我們國家的發展，我國粒子物理的理論與實驗研究從少數先行者開始，經歷了艱苦創業和發展的過程，逐步走向國際前沿。在慶祝建國50 週年的時候，回顧這一歷程，總結業已取得的成績，是很有意義的。本文謹從實驗和理論兩個方面分別概述我國粒子物理50 年來的研究進展。
01
實驗粒子物理
建國伊始，我國粒子物理實驗研究一片空白。50 年代初，在雲南落雪山海拔3180m 處建立了宇宙線實驗站，開展應用雲室進行高能核作用以及奇異粒子產生過程與性質的研究。值得一提的是，數年間累積奇異粒子事例數居世界宇宙線實驗站前列。
在國際上，當時粒子物理研究剛剛進入第一代大型加速器實驗階段。1956 年，我國制訂第一個科學發展十二年遠景規劃，首次提出了建造一臺高能加速器的設想，以之作爲發展我國實驗粒子物理的第一步。與此同時，我國作爲前蘇聯杜布納聯合原子核研究所創建成員國之一，積極投入了在該所大型加速器上開展粒子物理實驗的工作。通過參加具體實踐，培養了第一批高能加速器與物理實驗人才。在我國與蘇聯等國科學工作者合作完成的研究項目中，王淦昌先生領導的研究組在當時世界上能量最高的10 GeV 質子同步穩相加速器上發現。Σ-反超子的成果最爲重要和突出[1] 。
這個研究組針對當時粒子物理實驗研究狀況(一方面新強子陸續發現，另一方面尋找重子族反粒子成爲熱點) ，確定了在新的能區裡不失時機地建造一臺24L 丙烷氣泡室，開展以尋找新粒子爲主要目標的研究方案。他們用動量爲8.3 GeV/c 的π- 介子束照射放置在強度爲1.37 T 磁場內的氣泡室，從4 萬張照片的掃描中找到一個。Σ- 的產生與衰變事例。此項發現爲50—60 年代間確立粒子—反粒子對稱性提供了重要的實驗證據，是繼1958 年美國Alvarez 組發現中性Λ- 之後發現的另一個超子族反粒子， 早於1962 年歐洲原子核研究中心(CERN) 發現Ξ- 反超子。
1965 年後，我國退出聯合原子核研究所，決定建立自己的高能物理研究基地。建造高能加速器的計劃自1956 年以來幾經起落之後重新啓動，在理論設計的同時，還進行了選址。但是，不久這項計劃又因“文化大革命”開始而宣告終止。
正是在“文化大革命”這段時間裡，國際粒子物理取得了突破性的進展，電弱統一理論與量子色動力學相繼提出，標準模型引發了實驗驗證的熱潮，而我國此時的粒子物理實驗工作卻前景渺茫。
宇宙線實驗仍舊是可以利用來開展我國粒子物理研究的實際途徑。60年代中期，我國在雲南落雪山附近海拔3220m處建立了一個新的高山站，建造了大型雲室組合，進行了反常電磁簇射與其他研究。1972年，在研究高能現象時，觀察到一個可以被解釋爲弱作用荷電重粒子的事例，其壽命下限約爲5×10-9 s[2] 。
1972 年7 月，周恩來總理在給張文裕等人向中央呼籲發展我國高能物理的回信中，親筆寫下了以後廣爲傳播的批示:“這件事再也不能延遲了。科學院必須把基礎科學和理論研究抓起來，同時又要把理論研究與科學實驗結合起來。高能物理研究與高能加速器的預製研究應成爲科學院要抓的主要項目之一。”但是，一直到“文化大革命”結束爲止，高能加速器的建造仍舊停留在紙面上。只是到了1977 年以後啓動的“87 工程”(預定第一步建造一臺50 GeV 質子同步加速器) 預製階段才真正辦了一些重要的實事，其中包括建成設備完善的實驗工廠，開展了加速器主要部件的預先研究，創建了其他有關實驗條件，爲以後建成高能物理實驗基地以及對撞機工程的順利進行打下了必要的基礎。大約從1975 年開始，在原來核探測技術與核電子學的基礎上，逐步開展了與粒子物理實驗相關的各類粒子探測器、快電子學和計算機數據處理技術的研究，並做出了成績。1980 年，“87 工程”因國家調整國民經濟而“下馬”。
從1978 年起，我國同時開始了利用國外高能加速器培養實驗研究人才和開展國際合作研究的一個新階段。1978 年至今，通過參加美國、西歐和日本主要研究機構的前沿粒子物理實驗研究，我國科學工作者有幸親身經歷了近代粒子物理領域中的一系列關鍵性事件與重要發現。其中有:三噴注現象的發現和膠子存在的證據，電弱理論的早期檢驗與精確驗證，中間玻色子W±與Z0 粒子的發現，頂夸克t 的尋找與實驗證明，輕子代的數目的確定，以及第一批膠球候選者θ及τ粒子的發現，等等。通過參加國際合作，還培養了實驗與工程技術人才，獲得了跟蹤與引進國外先進技術、促進我國多方面實驗技術乃至高技術產業發展的長期效果。
在此期間，我國一些實驗工作者還立足於國內條件，想方設法地開展儘可能接近國際前沿課題的小型實驗研究，諸如尋找自由夸克、磁單極子等的嘗試以及通過測量正電子偶素三光子衰變的連續γ能譜驗證QED 理論等。在80年代形成的世界範圍的中微子測量熱潮中，中國原子能科學研究院與中國科學院理論物理研究所的一個合作組將一臺有鐵雙聚焦穩定同位素分離器改造成爲高分辨、高亮度的β譜儀，用於電子反中微子質量測量。這個合作組採用測量氚核β衰變能譜端點附近譜形的方法，給出了電子反中微子質量平方值48 eV2 ，相應於95%置信度下mν < 12.4 eV[3] 。這個上限值與《粒子物理手冊》目前的估算值mν< 15 eV 相當。中國科學院高能物理研究所和理論物理研究所的一個合作小組，在京西門頭溝煤礦離地面512m 岩層垂直厚度(相當於1300m 水層) 的井下，開展了我國首次雙β衰變實驗[4] 。這個小組採用中國科學院長春光學精密機械研究所研製的CaF2 大單晶兼作雙β放射源和探測器，累計取數7588.5h ，測得48Ca 無中微子雙β 衰變的壽命下限T1/2 > 9.5 ×1021年(76 %置信度) ，相應於Majorana 中微子質量上限 (η= 0) 及右手流混合參數η≤0.75 ×10-5(〈mν〉= 0) ，較原有壽命下限測量值提高了4 倍，質量上限下推了2 倍多。
“87 工程”的下馬卻帶來了我國高能加速器發展的根本轉機。1981—1982 年間，經過國內外專家反覆論證，重新制定了建造藝臺質心繫能量爲3—4.4 GeV 可調(計劃以後提高到5.6 GeV) 的正負電子對撞機的方案，即北京正負電子對撞機(或稱BEPC) 工程[5] 。這個工程項目於1984 年10 月破土動工，至1989 年7 月通過國家技術鑑定，投入正式運行，用於進行粒子物理研究，同時開展同步輻射實驗。
北京正負電子對撞機的建造成功，結束了我國粒子物理沒有自己的加速器作爲實驗研究基地的歷史。差不多與對撞機同時，建成了開展物理實驗的大型探測裝置———北京譜儀[5] ，安置在對撞機的一個對撞點上(在另一對撞點上進行了實驗籌備工作，1987 年後中止) 。北京譜儀的組成部分包括了多種粒子探測器以及相應的電子學系統、觸發判選系統和數據在線獲取系統，由此生成正負電子對撞末態e ，μ，π， K，p ，γ等粒子的數目、類別以及特定的物理量(如動量、能量、亮度) 等基本數據，記錄在磁帶上，以供進一步處理和物理分析之用。與國外同類設備相比，北京正負電子對撞機在亮度上達到了美國SPEAR 對撞機的2 倍，北京譜儀則具有與美國MARKⅢ探測器相當的性能，而增添了新的重要功能，如dE/dx 分辨及中性觸發。北京譜儀自1990 年初正式投入運行到1995 年夏進入全面改進升級階段爲止，先後在若干質心繫能量下開展τ輕子與粲物理研究，取得了一批具有國際先進水平以及國際領先的物理成果。在這一過程中，北京譜儀(BES) 合作組從國內合作擴大到國際合作，參加的單位除中國科學院高能物理研究所外，還有中國科學技術大學、山東大學、華中師範大學、杭州大學、北京大學、上海交通大學、Boston U.， CIT ， Colorado State U.， MIT ， SLAC ， SSCL ， UC Irvine ， U. Hawaii ，U T Dallas 和U. Washington。在BES合作組已經發表的物理結果中，具有代表性的(依時間順序) 有以下幾個方面。
1.1 輕子質量的精確測量
1990—1991 年間，粒子物理出現三代輕子普適性的“危機”，表現爲利用實驗測定的μ子和τ輕子的質量、壽命及電子分支比數據推出弱耦合常數gμ 與gτ之間的比值偏離輕子普適性預期值1約2.4 個標準偏差，從而引起了廣泛關注。在國際上提出了由BES 合作組重新測量τ輕子質量mτ的建議。
BES 合作組憑藉在τ+τ- 閾能附近測量的優勢，採用數據驅動的掃描方案，於1991 年間實現了mτ 的精確測量， 所得結果mτ = ( 誤差第一項爲統計誤差，第二項爲系統誤差) ，較1992 年世界平均值降低了7 MeV，而精度提高了10 倍左右[6] 。
同年德國ARGUS 組，稍後美國CLEO 組也分別發表了與BES一致的測量結果。在新測的數據當中，以BES 在τ閾能處直接測量的精度爲最高。修訂了的mτ世界平均值結合τ的壽命與輕子分支比近年來的精細測量結果，使e-μ-τ輕子普適性在高精度下重新得到確認。
1.2 粲介子Ds 衰變的研究
BES 合作組於1992 年開始開展Ds 物理研究，從1992 到1994 年爲止， 在質心繫能量4.03 GeV 處，總共採集了積分亮度爲22.3 pb-1的數據。
在BES 之前，MARKⅢ首先在正負電子對撞過程中，在Ds介子成對產生的閾能附近實現了Ds 的實驗觀測， 所採用的質心繫能量爲4.14 GeV。此處產生的粲介子對事例以爲主，合計積累了積分亮度爲6.3±0.46 pb-1 。
BES 合作組選擇了與MARK Ⅲ組不同的質心繫能量4.03 GeV ，得以避開產生閾能，獲得較易與本底區別開來的純淨事例，重建了清淅的Ds信號。利用這個積分亮度大約4 倍於MARKⅢ的數據樣本，BES 組實現了MARKⅢ提出而未能實現的若干測量任務。
BES 組開展了Ds介子衰變常數f Ds的直接測量。重贗標介子(D ，Ds及B) 衰變常數對於研究B介子衰變中的混合和CP 破壞問題具有重要意義，實驗上通過測量其純輕子衰變寬度來直接測定。但是B 介子輕子衰變率預期爲小，故由之測定B介子衰變常數f B 非當前實驗能力之所能及，而惟有采用其理論計算值。測量f Ds則可用以檢驗此類計算，對所用理論模型作出甄別。雖然粲介子的純輕子衰變率也小，但與D 介子衰變常數fD (及fB) 相比， f Ds的測量在實驗上最爲可行。
在BES 組之前，已有兩家得到f Ds的非絕對測量結果。BES 組基於觀測到的3 個Ds純輕子衰變候選事例，得到Ds→μν的衰變寬度，從而導出f Ds= [7] 。這個結果不依賴於亮度及產生截面，且無模型相關假設，雖然誤差很大，但作爲首次直接測量的結果，仍具有其重要性。BES 合作組還基於1 個D介子的純輕子衰變事例測得其衰變分支比，並定出了f D = MeV。
BES 合作組首次實現了衰變絕對分支比的直接測量。歸一化問題一直是Ds介子衰變實驗的主要困難所在。迄今爲止，它的許多衰變分支比都是相對於測量的。爲要得到後者的絕對值，需進一步藉助於對若干輸入量(如Ds產生總截面) 的理論估算，而不同的理論估算常常差別很大，目前發表的值自2 %至5.1 %不等。BES 合作組採用MARKⅢ制定的方法，基於2 個完全重建的事例，得到了不依賴於積分亮度和產生截面的絕對分支比，較MARK Ⅲ組測得的上限 < 4.1% (90%置信水平) 前進了一步[8] 。
目前，《 粒子物理手冊》推薦的世界平均值是根據BES 組和CLEO 組(在BES組後進行絕對測量的另一家) 兩家數據計算所得的結果，其他所有與模型相關的測量結果均已不復採用。稍後，BES合作組又進行了單舉分支比的直接測量，由此導出的值與以前測得的結果一致。
BES 合作組還發表了Ds 單舉電子的半輕子衰變分支比B (Ds →eX) 的測量結果，由此導出的Ds→eX 衰變寬度與MARKⅢ組原來測定的D+ →eX 與D0 →eX 衰變寬度結果一致，支持粲介子半輕子道衰變以旁觀者模型爲主的假設[9] 。
1.3 J/Ψ輻射衰變研究———尋找膠球的實驗進展
BES 合作組自 1990 年 1 月開始至 1991 年5 月止，總共採集了粲夸克偶素J/Ψ 粒子的大約 9 百萬個事例，與 80 年代中法國 DM2 實驗在 DCI 對撞機上所建立的J/Ψ數據樣本大體相當。BES 組(不包括美國成員) 基於這批數據開展了以利用J/Ψ的輻射衰變過程爲主尋找奇特介子———膠球的研究。
粒子物理強相互作用理論———量子色動力學的非阿貝爾性質決定傳遞強作用的場量子即膠子的自耦合性質，預言了膠子束縛態或稱膠球的存在。尋找這種特殊物態的實驗努力已經持續了20年以上。J/Ψ 的輻射衰變被認爲是可能產生大量膠球的過程。在80年代的尋找熱潮中，發現了若干膠球候選者。然而 ，確認膠球的目標遠未達到。
BES組進一步提供了fJ (2220) 粒子存在的實驗證據 ,並且揭示了它作爲2++張量膠球候選者的若干重要性質。fJ (2220) 粒子於1986年爲MARKⅢ組在J/Ψ→γK+K-和兩個含有奇異夸克的衰變道中發現，卻未被 DM2組在更大的數據樣本中所證實。BES 組通過反覆分析，首先在 MARKⅢ報道的兩個衰變道中分別以大約 4 個標準偏差的顯著性證實了MARKⅢ的發現，隨後又在兩個非奇異衰變模式J/Ψ →γπ+π- 和 中觀察到顯著性稍小的類似信號[10]。 最近還在 J/Ψ →γπ0π0 衰變道中觀察到了fJ(2220)的證據[11]。綜合這個粒子的已知特徵———具有很窄的衰變寬度(～20 MeV)，在ππ與 KK衰變道中呈現的味對稱性質 [Γ (ππ)/Γ (KK) =1.0±0.5 ]，以及在J/Ψ 輻射衰變中大量產生{衰變分支比
另一方面 ,歐洲原子核研究中心的晶體桶 (crystal barrel) 組和JETSET 組在 湮沒反應產生的 K+K-，π+π-，，π0π0 及ηη末態中均未觀察到fJ(2220)的信號。此類實驗本底較大，可能是其未能獲得肯定結果的一個原因。目前，fJ(2220) 在《粒子物理手冊》中仍被列爲有待確證的粒子，而其自旋究竟是2或4也需要在大統計量下予以確定。一旦自旋爲 2得到肯定，必將進一步加強它作爲張量膠球的地位。
BES組對 fJ(1710)粒子的研究也獲得了頗有興趣的結果。這個由美國晶體球實驗組首先在J/Ψ →γηη衰變道中發現的膠球候選者，(早期稱爲θ粒子)以後又在 J/Ψ 其他衰變道以及pp中心產生過程和πp反應過程中觀察到。但是，大量研究給出了關於這個粒子的互相矛盾的結果，尤其突出的是，它的自旋宇稱究竟是0++或是2++，說法不一。最近有人重新分析 MARK Ⅲ的數據，在J/Ψ→4π末態中觀察到了0++( 位 於 ～ 1750 MeV ) 和2++(～1620 MeV) 兩個態。BES 組的研究選擇了J/Ψ →道，考慮到它可能是fJ(1710)粒子作爲膠球候選者的一個重要衰變道[12]。在J/Ψ →γK+K-的K+K-不變質量譜中，觀察到了相應於fJ(1710)的信號，表現爲一個很寬的共振峰。 採用推廣矩方法的分析顯示，fJ(1710) 峰區的低質量端(位於) 爲2++的成分而高質量端 ()爲 0++ 的成分。進一步的分析指出，fJ(1710)的 0++成分衰變爲兩個膠子的分支比較大，意味着它具有相當大的膠球成分。QCD 格點計算預言最輕的膠球應是質量約在1.5—1.7 GeV 之間的標量粒子，這和BES組的分析是一致的。
BES 組還研究了另一個最早的膠球候選者 η(1440) (原稱ι粒子)。運用分波法分析了J/Ψ →γηπ+π-與過程，分別在ηπ+π-與K+K-π0不變質量譜中觀察到η(1440) 的信號，確認了它的自旋宇稱爲0-+[13]。在K+K-π0不變質量譜中，還看到在η(1440) 低質量端fJ(1420)的跡象。
1.4 Ψ(2S) 衰變研究
BES 合作組於 1995 年初完成粲夸克偶素 Ψ(2S) 粒子數據的採集工作，建成當前世界上最大的Ψ(2S) 數據樣本，合計Ψ(2S) 衰變事例數爲 380 萬，大約相當於在此之前美國 MARKⅡ採集數據的 318 倍，MARK Ⅲ的 10 倍以上，從而爲開展Ψ(2S) 以及其他粲夸克偶素的物理研究創造了良好條件。
粲夸克偶素是粲夸克及其反粒子組成的束縛態。這種簡單的二體系統提供了研究夸克間力的理想“實驗室”，對發展量子色動力學 (QCD) 理論起着十分重要的作用，被喻爲量子 色動力學的氫原子。但是，在第一個粲夸克偶素J/Ψ粒子發現之後許多年裡，有關粲偶素物理的知識仍然相當匱乏，已有的研究多集中於J/Ψ，其他粲偶素有限的早期研究從 80 年代初起的一個時期中基本上陷於停頓，BES 合作組開啓了在正負電子湮沒過程中研究粲偶素物理的嶄新階段，最近幾年的研究已使這個領域的面貌有了很大改觀。
在Ψ(2S) 的輕子衰變方面，BES 合作組首次測量了Ψ(2S) →τ+τ-衰變分支比 Bττ，所得結果與已有的 Bee和 Bμμ數據一起在實驗誤差範圍內符合 的關係，提供了在 夸克系統中同時比較三代輕子性質的獨特機會。
在強衰變方面，北京譜儀之前的研究在比較徑向激發粒子 Ψ(2S) 與其基態 J/Ψ 粒子的對應衰變道時，觀察到兩者之間的相似性，基本符合微擾 QCD 理論的預言，即 J/Ψ 與 Ψ(2S) 強衰變寬度之比近似地等於它們衰變爲輕子對的分支比之比，採用後者最新的世界平均值，這個比值約等於 14%。MARK Ⅱ組於 1983 年報道了兩個衰變道 Ψ(2S) →ρπ及相對J/Ψ 嚴重壓制的異常情況，雖然再未觀察到其他例外，但是解釋這兩個反常表現的理論努力卻始終未得滿意結果，文獻上稱爲ρπ疑難。
BES 合作組開展了 Ψ (2S) 強衰變以二體衰變道爲重點的系統研究。自 1994 年以來，在末態介子對爲不同自旋宇稱組合模式的衰變過程中，觀察到了如下一系列新的實驗事實[14] :
(1) 在1-0-模式的Ψ(2S) 衰變過程中，以當前最高的實驗靈敏度確證了ρπ疑難的存在， 測得的Ψ(2S) →ρπ及衰變分支比新的上限與J/Ψ相應衰變率之間的比值偏離 14%關係，壓低竟接近兩個數量級，成爲當前粒 子物理中少見的反常現象。
(2) 發現了Ψ(2S) 衰變過程中新的反常壓制現象，見於1-2+模式的 4 個二體道ωf2，ρa2，及。此項發現首次突破了多年來反常限於1-0-模式的認識，而且基於強子螺旋性守恆定理的分析，1-2+模式是強子螺旋性守恆定理所允許的，而1-0-模式則是禁戒的。
(3) 與發現新的反常同時，在1+0-及1-0+模式中也首次觀察到了不表現出反常壓制的二體強衰變道Ψ(2S) →b1π及等，從而排除了Ψ(2S) 二體強衰變道均爲壓制的猜測。
(4) 在1-0-模式中，第一次測出Ψ(2S) → 衰變分支比，發現其與Ψ(2S) → 衰變分支比之比顯著大於1，顯示出強烈的同位旋對稱性破壞效應。區別於J/Ψ 的情況，後者的比值略小於1，可歸因於 u夸克與 d夸克的質量差。此外 ,還在1-0-模式中觀察到 Ψ(2S)首例衰變成強子的電磁過程 Ψ (2S) → ωπ0，其衰變分支比大於 Ψ(2S) →ρπ等而無反常表現。這些事實表明，Ψ(2S) 的1-0-衰變的強作用成分被嚴重壓制，達到了電磁作用的水平。
BES 合作組還開展了 Ψ (2S) 輻射衰變爲普通介子過程的研究[15]。在1-0-模式 (1-爲光子)中，首次測出了Ψ(2S) →γη′及γη衰變分支比，它們相對於J/Ψ 均表現出壓制，但不如同樣模式的二介子衰變道嚴重；在1-2+模式中首次測出 Ψ(2S) →γf2 衰變分支比，其相對於J/Ψ 的比值與理論預期值一致，而與同樣模式的二介子衰變道ωf2等的反常壓制不同。
BES 合作組所獲得的新的實驗結果豐富了人們對粲偶素族粒子的認識，展現了Ψ(2S) 衰變不能從其基態J/Ψ 簡單地定量外推的重要性質。BES 的結果還向原有解釋ρπ疑難的幾個理論模型提供了一系列實驗反證，向粲偶素強衰變理論提出挑戰，由此推動了新的一輪理論研究(1997年以來，在已有 4 種解釋ρπ疑難的理論方案之外又提出了 5個新的理論模型)。最近，這些結果也開始應用於其他重要理論問題 (如深入研究 CP 破壞的來源，分析研究 2 GeV 至J/Ψ 質量範圍內的介子譜等) 的探討上面。
1.5χcJ 及其他粲偶素研究
BES 合作組於 1995 年起將粲夸克偶素強衰變研究從 Ψ(2S) 擴展到了χc
90 年代以來，非相對論 QCD 理論獲得發展，特別是新的因子化方案提出後解決了長期存在的紅外發散問題，使重夸克偶素 P波衰變率的嚴格計算得以系統改進。有關χc
BES合作組選用χcJ的兩個0-0-衰變模式π+π- 及 K+K- 道實現了χc0總寬度的細緻測量，提前高質量地實現了美國 E835 實驗原來計劃進行的測量[16]，誤差較粒子數據表的原有結果降低 1 倍而可靠性有質的提高[17]。此外，還首次測量了χcJ包括在內的 16 個新的衰變道分支比(或上限)，更新了 17 個衰變道分支比，大部分數據的精度明顯提高，其中一部分數據已經在粲偶素P波態湮沒過程的單舉與遍舉理論分析中得到應用。與此同時，尋找了粲偶素ηc(2S) 粒子(未確定其存在)，還重新測量了χc0及ηc 粒子的質量，前者精度較原來的世界平均值提高了2.8倍，而後者則顯示出與美國E760組最新測量結果3σ的分歧[17]。
利用 Ψ ( 2S) 數 據 樣 本 通 過 Ψ(2S) → J/Ψπ+π- 過程可以獲得 120 萬個很好標記的 J/Ψ事例 ,提供 J/Ψ 衰變分支比精確測量及其他特定測量之用。BES 合作組完成了對於重夸克物理及相對論核碰撞物理均有重要應用意義的J /Ψ 輕子衰變分支比 B (J/Ψ →e+e-) 及 B (J/Ψ →μ+μ-)的直接測量，給出目前世界上最精確的結果，總誤差小於 2 %[18]。此項數據連同 BES 組分析J/Ψ 共振寬度所得結果在收入粒子數據表後，使世界平均值精度得以成倍提高。
北京譜儀實驗在北京正負電子對撞機上取得的成績鼓舞了我國高能加速器與實驗粒子物理工作者的士氣，增強了他們繼續前進的信心。從 1993年開始的 BEPC/BES改進升級工作已於1999 年初完成。在對撞機亮度、探測器性能及在線數據獲取能力有了顯著提高的情況下，新的一輪實驗運行——2-5 GeV 能區 R值測量正在進行之中。與此同時，我國粒子物理實驗工作者還積極參加了國際合作的其他大型粒子物理實驗項目，如美國和日本的 B介子工廠實驗，歐洲原子核研究中心的 CMS高能強子對撞實驗、L3宇宙線實驗、AMS國際空間站實驗以及意大利的 ICARUS長基線中微子實驗等。這些實驗都將在最近幾年裡陸續投入運行。
北京正負電子對撞機以後的高能加速器計劃已經成爲我國粒子物理學界共同關注的中心問題。 方案之一是建造一臺“τ- C工廠”。這是 80 年代間國際上提出的新一代的正負電子對撞機，以運行於τ輕子及粲夸克的產生閾能區而具有高亮度(高出 BEPC 兩個數量級達到 1033 cm-2·s-1) 爲特點，可以延伸北京譜儀的現有物理研究而開展高精度實驗。討論中也提出了漸進的方案，即在 BEPC 的基礎上逐步提高亮度以期達到 1032 cm-2·s-1的水平。 我國高能加速器如何發展無疑將對我國實驗粒子物理的發展前景產生直接的深遠影響。
由於篇幅所限，本文未能涉及宇宙線與高能天體物理方面的許多工作。也未能列入全部有關文獻。 作者在此表示歉意。
02
理論粒子物理
新中國建立的初期，我國只有屈指可數的人從事於粒子物理理論的研究。50 年代中期，隨着國際上粒子物理學的蓬勃發展，粒子物理研究在我國開始迅速發展。彭桓武、張宗燧、胡 寧、朱洪元幾位老一輩的理論物理學家培養出一批新生力量。在各大學也有一批新人成長起來。到“文化大革命”前夕，我國已經有了一支相當規模的隊伍。
當時的研究工作在相當大的程度上是在封閉條件下進行的，對國際上粒子物理學的新進展的瞭解往往要靠遲到的國外期刊，國際上對我國的研究工作知之甚少。1957年至1962年 間有幾位粒子物理學工作者先後在位於前蘇聯杜布納的聯合原子核研究所工作，這是當時一個對外聯繫的窗口。
雖然有這些不利條件，這一時期中還是取得了幾項突出成果: 周光召和希洛柯夫合作提出和發展了螺旋度振幅的理論[19] (Jacob 和 Wick 也獨立地發展了此理論)。這是分析相對論性粒子反應過程的角分佈和極化的一個基本理論工具，對粒子物理學有重要意義。1961 年，周光召的另一篇文章[20]與蓋爾曼的文章一起建立了軸矢量流部分守恆理論。粒子物理的這 個規律一方面與強相互作用的手徵對稱性自發破缺這一基本特性相聯繫，另一方面又是研究 強子的弱相互作用的重要工具，實驗和理論的發展已經充分證明了它的重要性。1965 年至 1966 年夏，北京基本粒子理論組提出和研究了關於強子結構的層子模型[21]。此前，蓋爾曼最早在 SU(3) 對稱的流代數理論中作爲“數學符號”引入了“夸克”。1964 年，他在一篇短文中提出這種場也可能對應於真實的帶分數電荷的粒子，但隨後的實驗探測未發現夸克。 另一方面，阪田昌一提出了所有強子都是由質子、中子和Λ重子組成的模型。 1964 年，阪田來北京參加“北京科學討論會”，毛澤東主席從一分爲二的哲學出發對他的思想很讚賞。基於當時迅速積累的大量強子共振態質量譜的規律性和上述的理論發展，1965 年，北京基本粒子組成員，特別是朱洪元，明確地提出了所有強子都由屬於物質結構的下一層次的幾種粒子組成的觀念，這種下一層次的粒子被稱爲層子。由此出發，北京基本粒子組通過引入作爲層子束縛態的強子波函數和由層子場構成的弱、電作用，對一大批強子散射和衰變過程進行了研究，考慮了分數電荷的夸克方案和整數電荷的方案並嘗試探索層子之間強相互作用的性質。這是國際上最早的此類研究之一。模型中的一些基本觀念後來得到了公認。參加北京基本粒子組工作的有原子能研究所的朱洪元、何祚庥、汪容、冼鼎昌，北京大學的胡寧、高崇壽、劉連壽、宋行長、楊國楨等，中國科學院數學研究所的戴元本、朱重遠等，中國科學技術大學的劉耀陽等共約 40 人。
除上述重要成果外，還有一些在當時是國際先進的工作，如周光召關於光子—核子散射色散關係的工作，冼鼎昌、何祚庥、朱洪元關於π-π散射雙色散關係研究的工作等。
在我國“文化大革命”期間，國際上基於夸克模型和規範場論發展出了弱電統一的溫伯格—薩拉姆模型和強作用的量子色動力學理論，迎來了粒子物理學的又一個高潮。而國內的研究工作卻長期被擱置，拉開了與國際前沿的距離。 直到“文化大革命”的後期，粒子物理理論的研究纔有部分的恢復。在這段時期內的工作成果有: 1975 年，吳詠時、戴元本關於非 Abel 規範場中費米子電磁形狀因子高能行爲的三圈圖領頭對數項的計算，提出了非Abel 規範場的 Sudakov 因子的指數化，國外Cornwall 和 Tiktopolous也得到此結果；1976 年，侯伯宇、段一士、葛墨林給出 t'Hooft 磁單極的拓撲不變量，此工作是獨立於 Arafune 等人的工作的；還有李華鍾、郭碩鴻、冼鼎昌、吳詠時等關於磁單極和經典規範場的工作。
“文化大革命”以後，我國實行的改革開放政策打破了科學研究的封閉局面，我國科學界與國際科學界有了較廣泛的交流，我國粒子物理理論工作者大都曾到國外短期或長期工作。他們在國際合作和競爭中做出了一批在國際上有影響的工作。鄺宇平和顏東茂合作提出了重夸克偶素激發態的強躍遷過程的一個合理模型和計算方案，在解釋γ激發態的衰變寬度等方面相當成功[22]。 周光召、郭漢英、侯伯宇、宋行長、吳可、侯伯元和王世坤用微分幾何方法研究規範場論的大範圍性質，導出了手徵有效的拉氏量中的反常項和 Jacobi 恆等式的反常等結果[23]。 徐湛、張達華、張禮發展了一種多膠子過程螺旋度振幅的方法，使原本很複雜的計算大爲簡化[24]。 杜東生首先對 B 介子的非輕子衰變中的
由於篇幅所限，上面提到的工作中有一部分未能列入下面的文獻中。此外，我國有一支人 數相當多的隊伍工作於數學物理領域。他們做了不少有影響的工作，其中一部分與粒子物理 有些關係，也未能列入本文中。在此一併致歉。
1989 年北京正負電子對撞機建成，隨後 BES組開始了高能實驗工作。我國有了自己的高能物理實驗基地，爲我國粒子理論工作者與實驗工作者密切合作創造了條件。對於 BES 組的實驗，我國粒子理論工作者在物理問題的選擇、輻射修正的計算、J/Ψ 實驗的理論分析方法和實驗結果的物理解釋方面都做了不少工作。與我國實驗工作者的討論爲粒子理論工作者深入和及時瞭解實驗結果提供了可能。例如，對 ξ(2.2) 粒子實驗結果，理論工作者作出瞭解釋， Ψ(2S) 的一些實驗結果在正式發表前就被理論工作者利用。
由於“文化大革命”時期教育和科研的荒廢和改革開放在新的環境下科研人才的流失，在近 20 年中，我國的粒子物理研究像許多其他學科一樣面臨人才斷層的問題。在這種情況下，我國一批人過中年和接近老年的粒子理論工作者在科研經費不足的情況下堅持努力工作，做出了好的成績，上述在國際上有影響的工作大都是他們完成的。可喜的是，最近幾年有一批在國外學習和在國內取得博士學位後出國工作的優秀青年粒子理論工作者回到祖國，他們在國外做研究生或博士後期間做出了一些出色的工作。可以期待青年一代接過上一代的班，把我國的粒子物理理論研究推進到更高的水平。
總觀上述實驗和理論兩方面的情況，建國 50 年來，我國的粒子物理研究雖然經歷不少困難，還是有了很大的發展，取得了一系列在國際上有影響的、包括一些具有重要學術意義的成果。我國高能物理實驗基地的建成和實驗工作的開展提高了我國在這個領域的地位。這些成績增強了大家的信心。從歷史的經驗和教訓當中，我們體會到以下幾點: 第一，必須穩定一支由熱愛科學、有奮鬥精神的人組成的隊伍，着重吸引更多的有才華的年輕人，同時要充分發揮中年以上的人的作用；第二，要大力提倡和發揚創造精神，爭取做出引導國際潮流的工作；第三，要更好地開展國際交流；第四，主要的工作要立足於國內。我們相信，隨着我國經濟建設的發展和綜合國力的增強，我們有條件做到以上幾點，我國的基礎科學研究，包括粒子物理研究，一定能夠攀登新的高峰，在國際上取得與我們偉大的國家相稱的地位。
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《物理》50年精選文章