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更新時間: 2013-08-23

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在強子層次上,原子核或強子物質的基本組元是核子和介子。 弄清這些強子的結構,並由基本原理出發研究它們的性質,是當代核物理的重要課題。 在各種介子中,π介子是最輕且最重要的介子。 關於自由空間中π介子的結構與性質、核介質內π介子的性質、π-核子相互作用與π-核相互作用等問題,始終受到相當多的關注。 π介子在核物理中的作用直接聯繫著手征對稱性,湯川秀樹關於π介子的最初概念已經大大發展了。 有清楚的實驗證據表明,核內存在π介子的集體模式,這種集體模式與以前觀測到的所有核集體運動模式截然不同。

核物理中
π介子-內部結構模型圖

  π介子-內部結構模型圖

不接受新粒子的情況下,大膽提出一種新的核力場理論,認為存在起強相互的π介子,介子理論的提出,推動了核物理研究的發展,文章簡要記述了這一歷史事件。
發現
從事宇宙射線研究的研究人員,諸如C.D.安德森(正電子的發現者)及其合作者S.H.尼德爾邁耶(他後來有了一些重要的發明,曾用在第一顆原子彈中),M.L.史蒂文森(M.L.Stevenson),J.C.斯特里特(J.C.Street),R,B.布羅德(R.B.Brode)等人,直到1937年才開始在宇宙射線中發現一些粒子,這些粒子質量介於電子質量和質子的質量之間,對這些粒子作最精確的測量發現它們的質量約為電子質量的200倍。這些粒子叫做μ介子。它們不穩定,自由μ介子衰變的平均壽命約為2微秒。開始時,是根據在地平線上的不同高度和不同角度觀察宇宙射線的強度巧妙地推斷出平均壽命的,後來F.拉賽蒂直接測出了平均壽命。但是進行宇宙射線實驗的人員在開始觀察時,並不知道湯川的工作。戰爭使這項實驗工作延緩了,並且使日本和西方隔絕開來。日本物理學家對存在著質量和湯川假定的粒子的質量相近的粒子根感興趣,然而他們也注意到,要把μ介子和湯川粒子等同起來仍然有些困難:首先μ介子的平均壽命太長了;其次,μ介子在物質中受阻止時,它們與阻止物質的原子核發生相互作用顯得很平常,雖然並不總是這樣,三個年輕的義大利物理學家:M.康弗西(M.Conversi),E.潘錳尼(E.Pancini)和O.皮西奧尼克(O.Piccionic),通過研究這個現象,有了一個重要的實驗發現。
發現經歷
這三個年輕人那時正在躲避德國人,因為德國人要把他們流放到德國去進行強制勞動。他們三個人躲在羅馬的一個地下室中秘密地工作,他們發現,正μ介子和負μ介子在物質中受阻止時的行為不一樣。正μ介子的衰變或多或少象在真空中一樣,而負μ介子如果被重核所阻止,則被其俘獲併產生蛻變,但當它們被象碳這樣的輕核所俘獲時,則它們的衰變大部份就象在真空中一樣,這不是湯川粒子所應具有的特性,因為一旦介子距離原子核足夠近時,特定的核力就應當產生蛻變,所以湯川粒子應當與輕的或重的原子核都發生劇烈的反應。實驗證明情況並非如此,因此μ介子不大會是湯川粒子。
理論支持
情況確實非常奇怪。湯川已經預言存在著質量約等於300個電子質量的粒子,有人也已找到了它們,但這種粒子卻又不是湯川所預言的那種粒子。理論物理學家對康弗西、潘錫尼和皮西奧尼克的結果感到迷惑不解,而這些結果從實驗觀點來看,卻又非常可靠。理論家們決心找出答案。日本的谷川、坂田和井上及美國的H.A.貝特和R.馬沙克(R.Marshak),各自獨立地提出了一個可以解決已存在的困難的假設。他們提出,觀察到的μ介子是湯川介子的衰變產物,而尚沒有人觀察到湯川介子。作出吸引人的、看起來是合理的假設是一回事,而要確證—個事實又是另一回事了。
得到解決
這時,一個新的實驗技術,或者應當說一個老的實驗的改進,為解決這個難題提供了一個有力的工具。早在第一次世界大戰前,盧瑟福實驗室的一位日本物理學家樹下就已證明,通過照相乳膠的α粒子在它們的運動軌跡上留下了一組可顯影的乳膠顆粒,所以人們能夠看到粒子的軌跡。(我們可能會問:量子力學怎麼辦?測不準原理呢?粒子的波動性呢?讀者可以放心,這些問題都有令人滿意的解答,例如海森堡就曾作過詳細的解釋)樹下用的乳膠僅對電離作用較大的粒子才靈敏,電子是探測不到的。

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