本节从中微子和正电子的发现出发，对加速器及对撞机进行了初步的讨论，并对粒子物理的现状做了简要介绍。

德谟克利特在 2 000 多年前就提出了物质的基本组成单元——原子。而庄子则提出“一尺之棰，日取其半，万世不竭”的物质无限可分思想。对物质结构的探究是物理学家始终不渝的追求。随着越来越多的微观粒子被发现，粒子物理学开始成为独立的分支学科。

能量守恒是物理学的基本原理。不论是宏观的还是微观的，不论是经典物理还是量子物理，能量总是守恒的。但对于 β 衰变的研究，却使包括玻尔在内的一些物理学家一度对能量守恒产生了怀疑。但泡利认为，能量守恒总是成立的，β 衰变过程丢失的能量实际上是被一种质量很小的中性粒子带走了。也就是说，β 衰变实际上是中子衰变为质子、电子及反中微子的过程。

中微子不带电，质量极小，与其他物质的相互作用极弱，因此很难被探测到。中微子可以轻易穿透地球。太阳除了发光、发热，同时也发射大量的中微子。每时每刻都有大量的中微子穿过我们的身体，但我们却没有任何感觉。

此处设置“大家谈”的目的是帮助学生理解 β 衰变中的能量守恒关系。

参考答案：根据能量守恒，β 衰变前后的能量也是守恒的。因为原子核能量是确定的，所以电子与反中微子的能量之和也是确定的，但电子的能量和反中微子的能量可以是任意的。

量子力学的基本方程即薛定谔方程是非相对论的。狄拉克考虑了相对论后得到了狄拉克方程，为量子场论的发展奠定了基础。按照量子场论，任何粒子都有反粒子，正电子则是第一个被预言并被发现的反粒子。正反粒子的产生和湮灭是量子场论的基本过程。

正反粒子具有相同的质量、自旋、寿命等性质，但具有相反的电荷量、重子数、轻子数等。中性粒子也有反粒子，而光子的反粒子就是其自身。虽然实验上已经观察到了正电子、反质子、反中子等众多的反粒子，但从未在自然界中找到天然的反原子，如由正电子和反质子构成的反氢原子等，更没有发现由反原子构成的反物质。当然，利用加速器可以制造出反氢原子甚至反氦原子。

1932 年柯克罗夫特和沃尔顿建成世界上第一台加速器，第一次利用人工加速粒子实现核反应。1932 年劳伦斯建成第一台回旋加速器，并用它产生了人工放射性同位素。早期的加速器能量不高，只能将质子加速到 100 MeV 以内。20 世纪 50 年代以后，加速器达到了 GeV 的能级。20 世纪 60 年代提出了对撞机的概念，高能加速器从此进入 TeV 的能级。目前最大的强子对撞机可以将单个质子加速到 7 TeV 的能量，对撞能量达到 14 TeV。随着加速器能量的不断提高，我们对微观物质世界的认识也逐步深入，粒子物理的研究也取得了巨大的成就。

此处设置“STSE”的目的是帮助学生了解加速器广泛的实际应用。

根据麦克斯韦电磁理论，带电粒子做加速运动时会辐射电磁波。同步加速器中的高速运动电子或正电子在磁场作用下偏转时会沿轨道切线方向辐射电磁波，即同步辐射。最初同步辐射是同步加速器的副产品，但由于同步辐射光源具有频谱宽、准直性好、高偏振、亮度大、窄脉冲、高稳定性等优点，可以广泛应用于物理、化学、生命科学、材料科学、医学等领域的科学研究。同步辐射光源是目前极为重要的研究工具。上海同步辐射光源是具有世界先进水平的第三代同步辐射光源。北京光源是目前最先进的第四代同步辐射光源。

物理学家一度认为电子、质子和中子是构成世界万物的基本粒子。为了描述核子之间的相互作用，汤川秀树引入了三种 π 介子，随后在宇宙线中发现了 μ 子（刚发现时误以为 μ 子就是汤川提出的 π 介子）和真正的 π 介子。

进入 20 世纪 60 年代后，随着加速器能量的不断提高，发现了越来越多的微观粒子，这些粒子大部分是强子，即参与强相互作用的粒子。为了给这些粒子进行分类，坂田昌一提出了坂田模型，盖尔曼提出了基于对称性的八重法，均取得了一定的成功。在此基础上，盖尔曼提出了夸克模型。几乎同时，茨威格也提出了类似的模型，只是将类似夸克的粒子命名为 Ace，但是论文没有正式发表，所以茨威格的工作没有受到重视。

此处设置“自主活动”的目的是帮助学生了解反物质粒子的构成。

参考答案：反质子和反中子由反夸克构成，即 \({\rm{\bar p}}\) = \({\rm{\bar u}}\)\({\rm{\bar u}}\)\({\rm{\bar d}}\)，\({\rm{\bar n}}\) = \({\rm{\bar u}}\)\({\rm{\bar d}}\)\({\rm{\bar d}}\)。

夸克模型刚提出时，只有 u、d、s 三种夸克。夸克模型在解释现有粒子的性质以及预言新粒子等方面取得了很大的成功，但也存在一些问题。随着实验的进展，又陆续发现了 c、b、t 夸克。进一步的研究发现，为了正确描述强子的自旋-统计性质，必须给夺克引入颜色自由度，即每一种夸克都有红、蓝、绿三种颜色，而同一种夸克的不同颜色之间是严格对称的。这个发现导致了描述强相互作用的理论——量子色动力学的建立。

对微观粒子而言，引力作用比其他相互作用要弱得多，所以不需要考虑。电磁相互作用只发生在带电粒子之间。强相互作用和弱相互作用是短程力，只在核子尺度内起作用。

杨振宁和米尔斯在 1954 年提出的理论是为了解释核子之间的相互作用，当时并不成功。但杨振宁提出的基于对称性的规范场思想却产生了深远的影响，直接导致了后来弱电统一理论和量子色动力学的建立。

1．参考解答：两种加速器都是通过交变的电场对带电粒子多次加速从而产生高能粒子的。回旋加速器中带电粒子在稳恒匀强磁场中每旋转半周被加速一次，随着速度增大旋转半径也逐渐增大；同步加速器中带电粒子在由长度相同的漂移管排列组成的圆周内运动，通过同步增大磁场磁感应强度，保证其半径一定，带电粒子在运动一周过程中多次经过漂移管间隙而被多次加速。

命题意图：通过对比熟悉不同加速器的工作原理。

主要素养与水平：运动与相互作用观念（Ⅰ）。

2．参考解答：直线加速器中电子在漂移管中做匀速运动，在漂移管间隙处被加速。要确保每当电子到达两个相邻漂移管交界面处时加在漂移管上交变的电压总是使电子加速，也就需要确保电子在漂移管中的运动时间对应交变电压半周期的奇数倍，故漂移管最小的长度等于电子进入每一个漂移管时的速度与交变电压半周期的乘积。

命题意图：理解直线加速器的工作原理。

主要素养与水平：运动与相互作用观念（Ⅰ）；科学推理（Ⅰ）。

3．参考解答：电子和光子是基本粒子，电子属于轻子，光子属于玻色子；质子由夸克组成，它不是构成物质的最基本粒子。

命题意图：知道基本粒子及其常见分类。

主要素养与水平：物质观念（Ⅰ）。