日报标题：捋一捋物理学中发现各个粒子的故事，能当小说看
黄豆子，高能物理实验娘
我来尽量简短地捋一遍各个粒子的发现（天啦噜感觉自己在写综述（为何有种野史的感觉
没有费曼图！没有装置图！放心看！当小说看！
一. 基本粒子
1. 轻子 lepton
（1）电子 electron
可以说是人类认识的最早的基本粒子，当然现在仍然有很多人在做电子的内部结构研究，希望找到“更基本”的粒子。
我们略过人类对电的探索，从克鲁克斯管说起。克鲁克斯管可以认为是连电的真空管，在这里粒子物理学史上大名鼎鼎的阴极射线被发现了。当然对于阴极射线的本质，一派认为是电磁波，一派认为是带电粒子流。在阴极射线本质的大争论背景下，我们的 J.J.汤姆逊爵士登上了历史舞台。他先证明这是带电的粒子束，而不是电磁波，接着用电场和磁场的偏转测量出这种带电粒子的荷质比。因此确定，一种带有与已知粒子性质不同的新的粒子被发现了。
电子代表一系列粒子，它们的发现没有理论指导，它们来自于无法解释的现象 ->可能的新粒子 ->确认是与已知粒子不同的新粒子。
（2）mu 子 muon
Muon 的发现起源于宇宙射线的研究，在电磁场中，有一条运动轨迹弯曲程度和其他已知粒子都不一样的粒子。通过轨迹我们可以知道很多信息，假设这种粒子和电子的带电量相同，我们就可以算出该粒子的质量。你要问了，为什么要这么假设，是因为这样算出来的质量和理论大牛汤川秀树预言的一种粒子是符合的。所谓理论的预言，就是理论学家为了使得自己的理论更好地解释现象，而引入的新粒子，当然，如果在实验上发现了预言的粒子，那么将是对该理论极大的肯定。
muon 代表一系列粒子，它们的发现虽然来自于新的现象，但是有理论的预言相辅助。
（当然我会告诉你汤川预测的其实不是 muon 而是 pion 吗……（物理史是非常奇妙的
（3）tau 子 tauon
Tauon 的来自高能实验。哈哈哈我们的加速器和对撞机终于要亮相了。发现 tauon 的实验是在斯坦福的直线加速器 SLAC（SLAC 三大历史性发现之一啊），实验做的是正负电子湮灭。因为四动量守恒无法满足而产生无法解释的新现象，证明至少有两个未被探测到的粒子。所以 tauon 代表了另一系列的粒子，它们来自无法解释的现象 ->可能的新粒子 ->并没有直接探测到粒子。后面的中微子我们会看到也是这样。但是我们对于一种新粒子的态度必须非常严谨，新粒子的正名必须要来自于直接的测量，tauon 的质量自旋测量最后是德国 DESY 做的。
（4）中微子 neutrino
neutrino 的发现算是粒子物理史的著名故事。neutrino 的发现是来自于 beta 衰变四动量角动量守恒无法满足而产生的悖论，理论学家泡利假设 beta 衰变还产生了一种未被探测到的粒子。（当然如果你认为并没有新粒子，并且你还能推翻能动量守恒，那就更厉害了！）（对了 neutrino 的名字是费米起的，那个时代贵圈超乱的，但是很向往啊 QAQ）
关于泡利是谁，有一次我在世界奇妙物语里惊讶地看到这么一幕：
对于 neutrino 的第一次直接探测在 1956 年，很漂亮的实验，用的是 beta 衰变产生的（假设的）anti-neutrino 诱发新的反应：反电子中微子 + 质子→中子 + 正电子，正电子和正常的电子很快湮灭成两束 gamma，中子可以被原子核俘获产生 gamma，这两部分 gamma 最终可以被一起探测到，进而验证了这个反应的发生。一定要说的是，这个探测方案最早是由王淦昌先生提出的。
值得一说的是，因为 neutrino 和其他物质的作用非常弱，所以导致了探测非常的难，而且它的性质又非常有意思，所以关于质量（标准模型认为质量为零，但是仍然很有争议）手性等话题都是非常有意思。前段时间大亚湾发布了一次关于震荡的结果，很漂亮我觉得。
2. 夸克 quark
（1）上，下，奇夸克 up, down, strange quarks
夸克模型是先由理论学家提出的。就像我们现在研究电子的内部结构一样，对于早年就已经被发现的像质子中子这些强子，人们早就怀疑它们并不是真正的基本粒子，它们是有内部结构的。夸克模型就是这样一种试图解释强子内部结构的理论。理论方面我快速带过，Gell-Mann 和 Zweig 提出了 up, down & strange 三味夸克。
前面提到的 SLAC 在 1968 年做了质子的深度非弹性散射（DIS）实验。大家可以这样理解这个实验，用一样东西去打质子，因为能量很大，所以可以打到质子内部去，进而探测到质子内部结构的信息。结果发现质子含有更小的点状成分，它是由内部结构的，并且实验结果可以用三个更基本的粒子的组成来解释，这完全符合夸克模型对质子的描述（uud）。（卢瑟福实验原子核结构的发现和这个优点相似！）
strange 的证明其实是上面 DIS 的一个延伸。包含 strange quark 的介子其实很久之前就已经在宇宙线中发现了：Kion & Pion。当然以上这些我们都可以说并不是一个非常严格的验证，而是理论和实验结果的一个重合，并不能真的证明那个更小的粒子就是夸克模型中的夸克。所以后续还有很多其他的实验来比较各个方面和理论的吻合度，我就不都写了。
（2）粲夸克 charm quark
前面说完第一批 up, down, strange，终于要讲到历史意义的 charm 了。理论上我不多说，笼统地讲，当时理论上因为弱作用的一些不自洽的情况，Glashow 和 Bjorken 预测添加了 charm 夸克以及 c&anti-c 夸克组成的非常非常有名的介子 J/ψ。（Bjorken 在物理界也是大名鼎鼎的人物啊，可我一直以为他早就去世了，结果有一天他突然出现在我的一节课上的时候我整个人都惊呆了！）
十一月革命！听起来就非常燃有没有！SLAC 和 MIT（丁肇中组）两个组在同一天的 PRL 上面发表发现新的介子，它们是同一个介子——被理论预言的 J/ψ。而且两个组当时谁都没注意这个介子的预言，所以都不是为了它做的。
丁肇中手里这张图就是 @月之暗面 的那张，感觉这个问题下面回答共振态探测的人最多，大家可以看看。比如@才不是笨蛋 讲的，我还没想好有什么更清楚简单的方式能解释清楚。
总之随着 J/ψ的发现，charm 夸克的假设被验证，夸克模型得到了一个非常重要的砝码，在物理界终于开始扬眉吐气—，—。
（3）底，顶夸克 bottom,top quark
理论我们继续带过，笼统说是因为 CP 破坏的一些原因，理论上又引入了 bottom 和 top。
方法和 charm 非常像，无非就是不一样的 channel 和能量。
两个都是 FermiLab 做出来的，只是一个字 1977 年，一个在 1995 年，相差二十年，原因是 top 比想象的要重很多，相应地，想要产生它所需要的能量就要很高。
3. 规范玻色子
Fermion 我们讲完了接下来讲 Boson，简而言之，Boson 是标准模型里传递相互作用的粒子
（1）光子 photon
光子是传递电磁相互作用的，关于光子我觉得情况有点复杂，我就不说了好吗？
（2）W 和 Z 玻色子 W&Z bosons
W 和 Z 是传递弱相互作用的，它们是先由理论预测然后实验再证实的。这三个 bosons 是在电弱统一理论中引入的，实验是 CERN 做的。先是一个不是直接的探测，是在气泡室里面看到一些电子自动移动的轨迹，气泡室是能显示带电粒子的轨迹的探测器，这个过程人们是认为是中微子和电子之间交换没有电荷的 Z boson 的作用过程。W 和 Z 都非常重，所以要在加速器上产生它们需要非常高的能量。1983 年还是在 CERN，超级质子同步加速器上直接探测到了 W 和 Z。
（3）胶子 gluon
胶子是传递强相互作用的，也就是夸克之间的相互作用。单独的胶子因为色紧闭没有被直接探测到过。胶子和夸克之间的相互作用会产生更多的胶子和夸克，它们会形成强子而非单独的胶子，这样就能被外界探测到。这些强子会形成喷注 jet，每一个有一个喷注，最有名的实验叫三喷注实验，就是在正负电子湮灭中由一个夸克，一个反夸克和一个胶子形成的三喷注。
（4）引力子 graviton
引力子是传递万有引力相互作用的，现在还只是一个假设粒子。
4. 希格斯玻色子 Higgs boson
这是理论中引入预测的粒子，笼统地说是给上面的规范玻色子质量的。
实验在 CERN 的 LHC 上做的质子质子对撞产生 Higgs，两个探测器不同的衰变通道都有人在做，跟前面讲 J/psi 的那个方法很像，只是 J/psi 换成了 Higgs，ee 换成了其他的衰变模式。2012 年 7 月 4 号，当时 cern 向全球直播数据结果，CMS 和 ATLAS 都宣布发现新的 boson 在那个质量位置上。我当时在家看的，还挺有感触的，2008 年 9 月 10 号 LHC 开始试运行，那时候我在高三准备物理竞赛复试，但是那天大家还是很兴奋地讨论了很多自己也不懂的东西哈哈哈哈
二. 强子 hadron
有点困我不想写 hadron 了……就写一个吧，挺有意思的。
1. θ和τ
不知道大家还记不记得我前面写 neutrino 的时候，我说在能动量守恒和可能的新粒子的矛盾中，泡利选择了相信能动量守恒，预测有未探测到的粒子，另一方面，你也可以认为并没有新粒子产生，而是能动量守恒本身是错误的。我的话里其实是有一点点点点讽刺的味道，但是其实事情并不总像我们深信的那样。
θ和τ是两个当时发现的介子，它们的几乎所有的性质都一模一样，只是它们衰变到的产物 CP 宇称相反，那个时候人们认为 CP 宇称守恒和能动量守恒是一样的金律，那么结果就是这两个介子是不同的粒子，发现了新粒子！后来发生了什么呢？两位叫杨振宁和李政道的年轻人说，θ和τ是同一个介子，宇称不一定守恒，后来吴健雄女士做实验验证了这一点。
高能物理实验其实有一些非常精彩的地方，向我前面描述的这些粒子的发现，可能被我描述得太平淡了，但是我觉得是相当惊心动魄也是非常让人向往的年代吧。
最后这张图是 12 年 7 月 4 日在 CERN 的报告厅报告发现 Higgs 实验结果的现场
这几位是几位久负盛名的理论物理学家，包括提出 Higgs 机制的
François Englert, Peter W. Higgs
几十年之后看到自己设想的东西被变成现实，不觉得棒呆了吗！