走进物质深处，从原子核到基本粒子

动手试试证据背后的物理

每个实验都采用写明假设的教学模型。改变装置或筛选条件，追踪径迹、计数或谱线怎样响应；模型说明中保留近似条件，并标清哪些数据来自模拟。

1. 追踪一条衰变时间链

2. 用散射探测电荷分布

3. 逐层填满核能级

4. 从许多粒子对找质量峰

5. 把电子打进质子深处

6. 反转核自旋看衰变方向

7. 追踪会衰变的中性介子

8. 让加速的离子跟上节拍

原子核怎样反应与组织

从一块在黑暗里使底片感光的铀盐出发，追问核反应怎样发生、核子怎样排列，再看这些反应怎样点亮恒星、造出元素。

1. 没有晒过太阳的底片为什么黑了

   一块没晒过太阳的底片，怎样引出了铀射线和新元素的发现？

2. 中子是怎样把自己撞出来的

   一种自己不留下带电径迹的粒子，人们怎样认出它？

3. 用实验室的质子束打散锂核

   锂靶上的几点闪光，怎样证明人工加速的粒子改造了原子核？

4. 回旋加速器怎样一次次推同一个离子

   电压并不特别高，怎样把同一个离子推到高得多的能量？

5. 中子慢下来，反应为什么反而多了

   在中子源旁放石蜡，为什么有些样品照过以后反而更活跃？

6. 恒星怎样把核反应变成长久的光

   氢聚变为什么能让恒星亮上几十亿年，而不是一下子烧完？

7. 原子核为什么也有满壳层

   质子或中子凑到某些数目时，原子核为什么格外难拆动？

8. 原子核怎样出现整体转动

   核能谱怎样显出许多核子一起转动，而不只是单个粒子的运动？

9. 电子怎样量出质子的大小

   散射出去的电子方向，怎样告诉我们质子里面有结构？

10. 把元素的来历带进实验室

    实验室里测一次核反应，怎样帮助解释恒星能造出哪些元素？

怎样把粒子留下的痕迹读出来

气体、电荷、液滴、银盐颗粒和气泡，把看不见的运动变成可读的痕迹。探测材料不断变化，问题始终具体：它带什么电、往哪走、到底是什么？

1. Lenard 给阴极射线开了一扇窗

   真空管里产生的阴极射线，怎样才能拿到空气中研究？

2. Thomson 从阴极射线里找到共同的粒子

   一根发光的放电管，怎样显出了比原子更小的粒子？

3. Wilson 让电离留下看得见的路

   一个粒子飞过去，为什么会留下一条细细的云？

4. Bothe 和 Geiger 怎样认出同时发生的两个信号

   两只计数器都响了，怎样判断它们记录的是同一件事？

5. Blackett 和 Occhialini 让粒子触发自己的照片

   两只计数器，怎样让难得一见的云室径迹经常出现在照片上？

6. Cherenkov 追出了蓝光与带电粒子的关系

   粒子怎样在水中追过光，却没有超过真空光速？

7. 乳胶里一条接一条的径迹显出了 π 介子

   显微镜下的一串银颗粒，怎样分出了两种不同的粒子？

8. Glaser 让粒子经过的地方先沸腾

   一杯过热液体，为什么会先沿粒子的路线冒出气泡？

9. Alvarez 小组从成组径迹中找出短寿命粒子

   一个粒子来不及留下径迹就衰变了，还能怎样发现它？

10. Charpak 把粒子的位置变成电信号

    一排细金属丝，怎样让粒子路线不用冲洗照片就能读出来？

粒子、相互作用与对称性

先看一次弱衰变的镜像检验，再把粒子分类、相互作用与对称性逐一放到实验面前。理论给出新的问题，实验回答后，下一道问题又跟着出现。

1. 一块铅板怎样认出了正电子

   安德森怎样分清正电子与反向飞来的普通电子？

2. 汤川为什么预言一种中等质量的粒子

   核力作用距离很短，为什么会指向一种新粒子的质量？

3. 对称性怎样帮我们认识粒子

   从不同方向、不同速度看同一颗粒子，什么性质应该保持一致？

4. 量子电动力学怎样算准电子的微小修正

   一个曾算出无穷大的理论，怎样算准电子磁性的微小变化？

5. 怎样从大量 π 介子里挑出反质子

   伯克利团队怎样认出极少数带负电的反质子？

6. 吴健雄的钴实验怎样分出了镜像

   电子朝两侧发射得不一样，为什么能检验镜像对称？

7. 规律对称，最低能量状态却可以选边

   方程没有偏爱，系统为什么会自己选定一个状态？

8. 一次稀少的 K 介子衰变怎样打破 CP 对称

   长寿命 K 介子束里出现少量双 π 衰变，为什么值得震动整个领域？

9. 夸克怎样整理越来越多的粒子

   为什么几种带分数电荷的组成粒子，能解释一大群强子？

10. 电磁作用与弱衰变怎样走到同一理论中

    一个伸得很远，一个只在极短处显现，电磁作用与弱作用为什么能统一？

11. 电子怎样撞见质子里的小成分

    SLAC 的散射数据里，哪种现象指向质子内部更小的带电成分？

12. 量子修正怎样让电弱理论接受精密检验

    已经能预言 W、Z，电弱理论为什么还需要新的计算方法？

13. 第三代夸克怎样给 CP 破坏留出空间

    夸克从两代变成三代，为什么就能出现新的 CP 破坏？

14. 为什么猛烈碰撞里的夸克近乎自由

    夸克在质子里结合很紧，为什么短距离碰撞时却像近乎自由？

15. 两组实验遇见同一座窄峰

    1974 年的 J 粒子与 ψ 粒子为什么迅速改变了粒子物理？

16. 一个电子、一个缪子，怎样指向 τ 轻子

    只有两颗可见粒子，怎样发现来不及留下径迹的 τ 轻子？

17. W 与 Z 怎样从碰撞碎片中显现

    W、Z 来不及留下自己的径迹，UA1 与 UA2 怎样认出它们？

18. 两种质量峰怎样把希格斯场带到眼前

    2012 年的新粒子，怎样检验 W、Z 获得质量的机制？

沿发现年代往前走

这里按文章讨论的实验或理论节点排列。获奖年份另列在下方，发现与颁奖常常相隔多年。

1. 1894Lenard 给阴极射线开了一扇窗
2. 1896没有晒过太阳的底片为什么黑了
3. 1897Thomson 从阴极射线里找到共同的粒子
4. 1911Wilson 让电离留下看得见的路
5. 1925Bothe 和 Geiger 怎样认出同时发生的两个信号
6. 1932一块铅板怎样认出了正电子
7. 1932Blackett 和 Occhialini 让粒子触发自己的照片
8. 1932中子是怎样把自己撞出来的
9. 1932用实验室的质子束打散锂核
10. 1932回旋加速器怎样一次次推同一个离子
11. 1934Cherenkov 追出了蓝光与带电粒子的关系
12. 1934中子慢下来，反应为什么反而多了
13. 1935汤川为什么预言一种中等质量的粒子
14. 1939恒星怎样把核反应变成长久的光
15. 1939对称性怎样帮我们认识粒子
16. 1947乳胶里一条接一条的径迹显出了 π 介子
17. 1948量子电动力学怎样算准电子的微小修正
18. 1949原子核为什么也有满壳层
19. 1952Glaser 让粒子经过的地方先沸腾
20. 1953原子核怎样出现整体转动
21. 1955怎样从大量 π 介子里挑出反质子
22. 1955电子怎样量出质子的大小
23. 1957把元素的来历带进实验室
24. 1957吴健雄的钴实验怎样分出了镜像
25. 1960Alvarez 小组从成组径迹中找出短寿命粒子
26. 1961规律对称，最低能量状态却可以选边
27. 1964一次稀少的 K 介子衰变怎样打破 CP 对称
28. 1964夸克怎样整理越来越多的粒子
29. 1967电磁作用与弱衰变怎样走到同一理论中
30. 1968Charpak 把粒子的位置变成电信号
31. 1969电子怎样撞见质子里的小成分
32. 1972量子修正怎样让电弱理论接受精密检验
33. 1973第三代夸克怎样给 CP 破坏留出空间
34. 1973为什么猛烈碰撞里的夸克近乎自由
35. 1974两组实验遇见同一座窄峰
36. 1975一个电子、一个缪子，怎样指向 τ 轻子
37. 1983W 与 Z 怎样从碰撞碎片中显现
38. 2012两种质量峰怎样把希格斯场带到眼前

从获奖贡献找到背后的物理

38 篇双语文章，对应 39 个获奖贡献分项。