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粒子与探测器 · 阅读路径
新粒子越来越多，家谱越来越乱
20 世纪 60 年代初，加速器发现的强相互作用粒子越来越多，质量、电荷、自旋与衰变方式各不相同。每来一个就单独记一项，清单只会越写越乱。盖尔曼等人发现，它们的一些性质却能排成有规律的家族图案。也许繁多名字背后，只有几种更基本的成分。
这类参加强相互作用的粒子统称强子。其中两大类叫重子与介子：质子、中子属于重子，π 介子、K 介子属于介子。后来夸克模型为这些名称补上结构解释：通常的重子由三个价夸克组成，通常的介子由夸克与反夸克组成。“价”强调决定粒子净种类标签的组成。
组成粒子的电荷竟然带分数
盖尔曼在 1964 年提出上、下、奇三种夸克。以上夸克为例，它带质子电荷的三分之二；下夸克与奇夸克各带负三分之一。反夸克的电荷与对应夸克相反。两个上夸克加一个下夸克，总电荷恰好为正一，接上质子；把一个上换成下，总电荷变成零，接上中子。
正 π 介子可以由一个上夸克与一个反下夸克组成，电荷相加也是正一。更换组成种类，便能有规律地走到其他粒子。少数成分生成许多组合，原来杂乱的名字开始彼此相连。
茨威格几乎同时在 CERN 独立提出类似组成图景，给这些成分起名 ace。盖尔曼的 1969 年诺奖表彰粒子分类及相互作用研究，范围比“提出夸克这个名字”更广。两条独立路线都应在历史中保留。
更换组成种类，也不仅仅改变总电荷。上、下夸克可以在一组相关粒子中互换，引入奇夸克又改变另一项可测种类标签。家族图案于是来自成分怎样组合，对称性负责整理可能组合，夸克质量不同则帮助解释同一家族为什么也有轻重差异。
这样，人们面对一个新成员时，能同时比较电荷、种类与质量关系。几种性质一起对上，比只猜一个质量更有说服力。分类的简洁因此带来了可以继续检查的联系。
家谱还要经得起新实验
这套分类的长处是简洁，但一张漂亮表格还不足以确定内部结构。分数电荷的成分没有作为自由粒子被单独拿出来。人们继续寻找可检验后果：家族里缺少的成员、磁性质、反应方式，以及电子打进质子后会怎样散射。
后来的深度非弹性电子散射显示，质子内部存在紧凑带电成分。电子偏转、损失能量，表现得像撞上了远比质子更小的对象。更多实验检查这些成分的自旋、电荷图案与相互作用，量子色动力学再补上夸克与胶子的运动规律。
现代质子内部有胶子，也有夸克—反夸克活动。三个价夸克准确记录它的净量子数；用不同尺度探查，还会看到更丰富结构。一个组成标签与一张静态小球照片，各自包含的信息很不一样。
从家族规律走进物质内部
夸克图景改变了发现新强子之后的问题。人们可以追问哪些成分、哪种量子组合能给出它的实测性质，进而预言别的组合。对不上时，也能更具体地找到简化模型哪里需要改进。
最初那一步，是认真对待反复出现的电荷与种类图案。分类从规律猜成分，散射再直接探查内部。两种方法接到一起，越来越长的粒子清单才变成了彼此联系的物质图景。