第一章引言—弓鱼相互作用历史粒子物理学（或高能物理学）是探索物质结构的最前沿的科学，物 质结构的研究已从早先的原子层次深入到夸克和轻子这一新层次60 年代初从加速器实验中发现了 100多种基本粒子，这些基本粒子可以 分为两类：一类是参与强相互作用的粒子，如质子、中子、兀介子、 奇异粒子和一系列的共振态粒子等，统称为强子；另一类是不参与强 相互作用，只参与电磁、弱相互作用的粒子，如电子、^子和中微子 等，统称为轻子高能物理实验又进一步揭示上百种强子并不“基本”， 是有内部结构的质子、中子、兀介子等强子是由更小的夸克组成的， 夸克被看成是物质结构的新层次并提出了夸克模型理论这些强子 是由三种更基本的夸克（上夸克u、下夸克d和奇异夸克s）组成的 六十年代大量的高能物理实验证实了夸克的存在1974年，丁肇中 和里克特发现了第四种夸克一粲夸克c，1977年发现了底夸克b，1995 年发现了顶夸克t，这6种夸克就是构成所有数百种强子的“基本” 单元同时轻子的发现也达到了 6种（电子、电子型中微子、^子、^ 型中微子、t轻子、t型中微子）因此夸克和轻子就是目前阶段我们 所认识的物质结构的新层次夸克、轻子通过电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用和引力 等运动规律就构成了自然界万物奥妙无穷、千变万化的物理现象。
引 力的相互作用强度最弱，在微观世界可以忽略，而强相互作用最强， 是理解微观世界基本组成份以及它们之间相互作用运动规律的关键19世纪末麦克斯韦成功地提出了电磁学理论、将原来分开的电和磁 学统一起来，预言了电磁波的存在，很快得到了实验的证实20世 纪，电磁学规律已经对工业、农业、科学技术和军事产生了巨大的影 响1967年，温伯格和萨拉姆提出了电磁相互作用和弱相互作用统 一理论，并预言了弱中性流的存在以及传递弱相互作用的中间玻色子 的质量1983年1月和6月分别发现了带电的和中性的中间玻色子 实验上测到的中间玻色子的质量与理论预言惊人地一致这一发现证 实了弱电统一理论的成功，其意义可以与将麦克斯韦电学和磁学统一 理论的验证相比拟弱电统一理论与描述夸克之间强相互作用的量子 色动力学理论合在一起统称为粒子物理学中的标准模型理论在标准 模型中传递相互作用的媒介子分别是光子（传递电磁相互作用）、中间 玻色子（传递弱相互作用）以及胶子（传递强相互作用）夸克、轻子以 及传递相互作用的媒介子就是物质世界的基本单元，它们遵从的规律 是标准模型理论标准模型理论是近半世纪以来探索物质结构研究的 结品，是20世纪最重要的成就之一。
上世纪七十年代到世纪末，这 一理论已经成功地受到了实验检验并正在继续发展这一成就可以与 本世纪初的玻尔原子模型相比，正是有了玻尔原子模型，才有20世 纪20年代末量子力学理论的建立可以相信，标准模型理论的发展 必将导致深层次动力学规律的发现和建立1. 从汤川（Yukawa）理论到夸克模型1932年查德威克（J. Chadwick）发现了中子，接着海森堡(Heisenberg)提出了原子核是由质子和中子构成的模型自然界中存 在三种基本粒子：质子、中子、电子原子是由原子核和绕核运转的 电子组成，自然界万物就是由这三种基本粒子构成的然而，当时一 个很大的困惑是质子和中子如何才能紧密结合在10-13厘米大小的原 子核中，试图利用当时已知的电磁相互作用和弱相互作用来解释都不 能自圆其说1935年汤川提出了质子和中子是通过交换一种未知的 介子(其质量介于质子和电子之间)形成原子核内很强的束缚力，这种 介子称为兀介子，其质量大约为100-200MeV，它与交换无质量光子的 电磁力不同是短程力，这就开创了强相互作用的历史一年后，1936 年安德森(C. Anderson)在宇宙线中发现了一种粒子，其质量为 105MeV，后来知道这是只参弱相互作用的p子。
直到1947年鲍威尔(C. Powell)才发现了参与强相互作用的兀介子汤川的强相互作用理论可 以与电磁相互作用类比，所不同的是交换的兀介子是有质量的然而 当人们将汤川理论与核力实验相比较时就发现有效相互作用强度远 远大于1，旦争4(>> 1)，这要比电磁相互作用仝=上大很多，因此4兀— 4兀 137微扰理论不再适用，高阶项的贡献不仅不能忽略，而且使得整个理论 计算变成无意义五十年代，随着高能加速器的发展，从加速器实验中发现了一大 批参与强相互作用的粒子，到五十年代末六十年代初已发现了一百多 种参与强相互作用的粒子，统称为强子，它们的寿命极短显然仅由 质子、中子、兀介子描述的强相互作用理论是不完备的同时，理论 上放弃微扰论，而发展不依赖于微扰展开的S-矩阵理论和公理化场 论也有了相当的发展特别值得提出的是对称性理论的发展极为重 要，六、七年代初发现这一百多种强子可以按SU(3)对称性表示很好 地进行分类，这种分类非常像原子按门捷列夫周期表分类一样加速 器实验的发展还发现了质子不是一个点而是有一定大小内部结构的 粒子所有这些实验结果都导致1964年盖尔曼(M. Gell-Mann)和茨 维格(Zweig)提出了所有强子都由三种夸克(上夸克u、下夸克d和奇 异夸克s)组成的，这就是夸克模型。
不久建立了非相对论夸克模型、 相对论性层子模型、以及相对论性夸克模型等理论描述强子内部结 构所有这些模型都没有涉及到强相互作用动力学理论然而人们已 在尝试以自由夸克量子场论去探讨强子唯象学的物理规律，例如六十 年代发展的流代数在当时就起了重要作用2. 从无标度规律到量子色动力学理论夸克模型成功地将强子谱进行了分类并解释了大量的实验事实 1967年美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)在电子打质子的深度非弹 性实验中发现了无标度规律(scaling law)1990年诺贝尔物理奖颁 发给这一规律的发现者 J. Friedman, H. Kendall 和 R. Taylor) 布约肯(J. Bjorken)首先认识到无标度规律意味着大动量迁移下电 子是与质子内许多无相互作用自由的点粒子相互作用费曼 (R.Feynman)称质子内的这些点粒子为部分子(Parton)随后的实验和理 论深入研究表明这些部分子就是价夸克和海夸克(夸克一反夸克对)， 建立了所谓的夸克一部分子模型，很好地解释了当时的实验现象，这就告诉人们在动量迁移足够大时，质子内的部分子具有渐近自由的现 象在夸克模型成功的同时，人们为了解释统计性质问题引入了“色” 自由度，即假定每种夸克除了味（u、d、s以及后来发现的粲夸克c、 底夸克b和顶夸克t）不同外还具有三种不同颜色（红r、绿g、兰b）， 由此就可以在夸克模型里，强子遵从相应的费米和玻色统计。
每一种 夸克含有内部空间（色空间）自由度，即有三种不同的色，不同色夸克 之间的强相互作用是通过传递带色的胶子而发生的轻子不具有内部 色空间，它不参与强相互作用这种“色”自由度的引入立即获得了 实验上的证实，例如兀7"衰变几率以及e+e-对撞中R值的测量，即 一方面在夸克模型里R值可以直接计算R - N 买 Q2 -<-N3 c10 m—N911 —N 9 c当N - 3(u, d, s)f当N - 4(u, d, s, c)f当N - 5(u, d, s, c,b)f其中Nf是夸克的“味”数，Nc是夸克的“色”数另一方面实验上可 以在正、负电子对撞机实验中精确的测量R值早期在Q2<3GeV2下的 实验证实了 “色” N=3，后来北京谱仪（BES）近几年来的实验都证实 了这一结论实验上无标度规律的发现以及布约肯在理论上的发展意味着夸 克之间很强的相互作用在大动量迁移下变弱，具有渐近自由的特点 这些结果对粒子物理的影响是深远的，人们接着的问题什么样的强相 互作用理论具有渐近自由的特点？电磁相互作用的基本理论是量子电动力学(QED)，人们测量到的 电荷(乏=上)是屏蔽以后的有效相互作用，即在小动量迁移下(汤姆 4兀 137逊极限)下确定的，在QED理论中以重整化图象来描述，随着动量迁 移Q2的增加，有效耦合常数(电荷e)随之变化而增大。
这样一个行 为是由重整化理论中的函数完全确定，在QED中函数是正的，有效 耦合随能量增加而增大，正、反电子对屏蔽电荷，当Q2很大时，探测 电荷的波长很短，直接探测到未被屏蔽的电荷，其电荷自然增大因 此，QED理论不具有上述渐近自由的特点，人们推测只有具有函数 为负的量子场论才是给出渐近自由特点的强相互作用理论1972年 射曼切克 (Symanzik)和特霍夫('t Hooft)在马赛的国际会议上注意到 非阿贝尔规范理论(QCD是阿贝尔规范理论)有可能具有负0函数的性 质，但他们没有继续做下去旅美华裔科学家徐以鸿(A. Zee)也做了 类似的计算普林斯顿大学的格罗斯小组和哈佛大学的柯尔曼(S.Coleman)小组研究了所有可能的量子场论以发现什么样的理论可以 具有渐近自由的性质1973年春天，格罗斯和他的学生维尔切克以 及波利策尔(柯尔曼的学生)分别在Phys. Rev. Lett.上发表了两篇 划时代的论文，提议了 SU(3)色规范群下非阿贝尔规范场论可以作为 强相互作用的量子场论，其0函数是负的，具有反屏蔽性质使得有效 耦合常数a (23)随着Q2增大而减小，即渐近自由性质在这一场论中 强相互作用的媒介子是无质量的胶子。
在QED中媒介子是光子，它是 电中性的，然而这里胶子不是色中性的，正是由于胶子带色荷，因 此胶子之间有相互作用从而产生反屏蔽效应，决定了强相互作用的 渐近自由性质由于他们三人发现了这一性质，导致建立了强相互作 用量子场论一量子色动力学(QCD)理论2004年诺贝尔物理奖颁发给 美国格罗斯(D.J. Gvoss)、泡利策尔(H.D. Politzer)和维尔切克 (F. Wilczek)三位科学家，以奖励他们在1973年发现了强相互作用 的渐自由性质，这一性质对认识自然界中强相互作用本质极为重要3. 量子色动力学的检验和发展量子色动力学理论的基本成分是夸克和胶子，它们是紧束缚在强 子内部，不能呈现自由的状态，只可能间接地由强子实验观测到它们 的存在，例如三喷注的实验结果证实了强子内部存在胶子等由于实 验上不能直接观察到夸克和胶子，对QCD的检验要远比量子电动力学 和弱、电统一模型理论的检验困难得多量子色动力学理论中夸克和 胶子除了具有与量子电动力学类似的夸克和胶子相互作用以外，胶子 之间还存在三胶子和四胶子相互作用顶点正是这些顶点决定相互作 用耦合强度g随着能量的增加而减小以及与g紧密相关的0函数为负 值。
最终导致强相互作用的有效耦合常数gs，aS =务57^ ⑴P 0lOg A2其中0 0 = [3 Nf -11]是单圈近似下的p一函数值Nf是夸克的味数 从上式(1)可以见到当能量Q2趋于无穷大时，强相互作用耦合常数 as (Q2)趋于零，这意味着夸克之间的相互作用趋于零，式⑴定量地 表达了强相互作用渐近自由的性质31年的实验充分地证实了反映渐近自由特点的表达式（1）的正确性人们形象地将反映这一特点 的耦合常数称为跑动耦合常数经历了 31年实验的检验和理论发展，量子色动力学理论已走向精密 验证和发展的阶段量子色动力学的渐近自由特点致使微扰理论得到了巨大的成功， 然而微扰理论仅在高动量迁移下的物理过程中可以得到应用，对于低 动量迁移的物理现象和强子结构，它无能为力自然畀的六种夸克中 前五种夸克（u、d、s、c、b）只存在于强子束缚态内部，而最重的顶 夸克t产生以后寿命极短，很快衰变为底夸克b从表达式（1）还 可以见到跑动耦合常数当能量Q2变小时它逐渐增大以至于达到无穷 大，这可以定性地理解为什么夸克在强子内部不能以自由状态分离出 来，因为当两个夸克之间的距离增大。