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“层子模型”是强子结构研究的重要开拓

发布时间:2019-06-12 08:39 来源:未知 编辑:admin

  朱洪元 (1917-1992)理论物理学家,中国科学院院士,江苏宜兴人。1939年毕业于同济工学院机械工程系。1948年获曼彻斯特大学哲学博士学位。1950年回国后历任中国科学院近代物理研究所、原子能研究所、高能物理研究所研究员,高能所第一副所长等职。全面研究了高速荷电粒子在磁场中运动时所发出的电磁辐射的性质,阐明了“同步辐射”的原理。对利用色散关系和幺正条件建立低能强作用的理论问题进行了深入探讨,否定了美国科学家G.Chew的方案。并对包含光子、电子、中子和原子核的高温高密度系统内部的运输过程、反应过程和流体力学过程等做了深入的研究,取得了多项重要成果。开辟了强子内部结构理论研究的新领域,在“层子模型”中提出的基本思想已为国际高能物理学界所接受。在北京正负电子对撞机的建造决策方案制定以及北京谱仪上物理目标的选定等过程中,发挥了重要作用。发表学术论文42篇。专著《量子场论》一书是我国几代粒子物理工作者的标准教科书。

  强子结构的层子模型(以下简称“层子模型”)是在1965年9月到1966年6月之间完成的。当时的研究背景是这样的:在电子、质子、中子发现之后,人们普遍认为它们是构成物质的终极单元,称之为“基本粒子”。随着介子和超子在20世纪40到50年代的陆续发现,基本粒子的家族迅速扩大,这些粒子绝大部分是强作用粒子,简称强子。很难想像这么多的强子都是基本粒子。1955年日本物理学家坂田提出了一个结构模型:强子中只有质子、中子和超子三种是基础的粒子,由它们构成其他所有的强子。坂田模型存在一系列困难,但是所提出的强子具有内部结构的思想是正确的。1964年美国物理学家盖尔曼改造了坂田模型,提出了“夸克模型”,认为强子是由三种具有SU(3)对称性的组分构成的,他把这些组分称为夸克。到了1965年,基本粒子表中粒子的数目已经可以与周期表中元素的数目相比,其中重子的自旋可以高达11/2,并且实验上关于核子的电磁形状因子的测量说明以前被认为是基本粒子的核子具有一定的大小和空间结构。这些事实说明了两点,一是“基本粒子”并不基本,二是强子有着内部结构。坂田模型和夸克模型都是关于强子结构的科学设想,有待于进一步发展为强子结构的科学理论。但是在当时发展强子结构的理论有困难,因为不知道在强子内部是否有新的力学规律在起作用,不知道强相互作用的具体形式,不知道处理强相互作用的数学方法,所以在结构模型中还只限于讨论由对称性能够得出的强子分类、新粒子预言和诸如质量、自旋、电荷、磁矩等静态性质。进一步的发展必须超出对称性的范畴,引入动力学起作用的因素。

  朱洪元考虑到在当时已知的最高能量下,物理实验结果表明量子数、本征值、几率波这些概念仍然有效,也就是说在强子内部的小尺度范围中,用波函数描述状态、用算符描述物理量的基本概念和方法仍然有效。于是他提出引入强子内部的结构波函数来描述强子内部结构的状态,至于决定波函数的力学规律和运动方程等则留待以后去讨论,一些严格的物理要求如相对论洛伦兹协变性和内部对称性等已经大大限制了波函数可能具有的形式。强子的组成及遵从的对称性是否取夸克模型或坂田模型的其他变种,朱洪元认为应当留给实验检验,所以后来按钱三强的建议把强子的组分粒子称为“层子”,表示物质结构许多层次中的一个层次的意思。在引入波函数以描述运动着的强子时,他认为应当区分描述内部运动和整体运动的两个概念。通过对已知实验数据的分析,他提出层子在强子内部的运动速度远小于光速,是非相对论性的,虽然强子的整体运动可以是相对论性的。这样,可以在强子的静止坐标系中定出非相对论性的结构波函数,然后通过洛伦兹变换得到作自由运动的强子的波函数。在讨论强子发生转化的过程时,朱洪元引入始态和终态强子结构波函数的重叠积分的概念和具有特定的对称性的强子构成组分(层子)之间的相互作用来计算跃迁矩阵元,用以统一地描述一系列强子的转化过程。在这些概念和方法的基础上,由钱三强大力支持,朱洪元领导的粒子理论研究集体系统地研究了强子的力学、电磁及几何等静态性质,以及强子的电磁衰变、弱衰变、强衰变等动态过程。在九个月里,他们发表了46篇科学论文,得到了一系列理论结果,其中许多和实验结果相符合。有一些当时没有实验数据,在后来才得到实验的证实。也有一些理论结果与实验不合,有待后来的实验和理论工作的新进展来解决。

  “层子模型”是强子结构研究的一个重要开拓,它是在层子之间的动力学理论提出来之前的一个方向性的系统工作。这个理论中提出的强子内部结构波函数和波函数的重叠积分的概念沿用至今,随着层子间强相互作用的动力学理论的建立,它们越来越细致地被确定下来。在1966年北京亚太科学讨论会上,巴基斯坦诺贝尔物理学得主萨拉姆高度评价了这项工作。很可惜,朱洪元和中国粒子物理学家在理论上一个很好的开头被随后十年的大破坏所打断。

  在20世纪中叶,在国际上提出了“坂田模型”和“夸克模型”,说明了“基本粒子”并不基本,强子有着内部结构。但是,在当时发展强子结构的理论遇到诸多疑难。朱洪元与胡宁院士共同领导的一些中国学者,对这些难题进行了深入研究,提出了“层子模型”,开辟了强子内部结构理论研究的新领域。其理论的核心是使用内部波函数及其重叠积分来描述相对论强子的结构和转化过程。“层子模型”中所提出的基本思想已为国际高能物理学界所接受,其核心思想至今仍被继续沿用。他们这种知难而进、探索求真、开拓创新的精神是很值得学习和发扬的。

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