粒子物理的黄金时代：从粒子海洋到夸克模型

自上世纪60年代起，粒子物理的研究重心发生了微妙的转变。早期，发现新粒子几乎等同于获得诺贝尔奖，理论引领着实验的步伐。

然而，随着加速器和对撞机技术的进步，粒子数量激增。从最初的几兆电子伏特到几百吉电子伏特，实验中发现了超过两百种新粒子。

这些粒子属性各异，如何分类，哪些是基本粒子，成为了理论物理学家面临的重大挑战。

最初，人们尝试根据自旋将粒子分为费米子和玻色子。自旋为半整数（如1/2, 3/2, 5/2等）的粒子被称为费米子，自旋为整数的粒子被称为玻色子。

另一种分类方法是根据质量，将粒子分为轻子（轻粒子）、核子（质子和中子）、介子（质量介于轻子和核子之间）以及超子（质量大于核子）。核子和超子也被统称为重子。

然而，人们逐渐意识到，仅凭质量划分粒子意义不大，因为质量只是众多粒子属性中较为普通的一个。微观粒子的奇特性质繁多，需要一种更基本的属性来进行分类——相互作用力。

除了已知的引力和电磁力，物理学家发现了强力和弱力。强力将质子和中子束缚在原子核内，弱力则导致粒子发生衰变。

根据是否参与强相互作用，粒子被分为轻子和强子。不参与强相互作用的粒子被称为轻子，目前已发现六种：电子、缪子、陶子（质量更大的电子）以及它们分别对应的三种中微子（电中微子、缪中微子和陶中微子）。

而介子、核子、超子都参与强相互作用，因此都属于强子。此外，还有一类特殊的粒子叫做规范玻色子，例如光子，它们负责传递相互作用，静止质量为零。

按照这种分类方式，轻子和规范玻色子加起来不到十种，而其余两百多种粒子都属于强子。这引发了新的疑问：为什么轻子种类稀少，而强子却如此繁多？直觉告诉我们，这两百多种强子并非都是基本粒子，一定存在更基本的组成单元。

早在1949年，费米和杨振宁就提出了费米-杨模型，认为只有质子、中子以及它们的反粒子才是基本粒子，其他强子都可由这四种粒子构成。1956年，坂田昌一推广了费米-杨模型，认为质子、中子以及Λ超子及其反粒子才是基本粒子。

之后，盖尔曼在坂田理论的基础上，于1962年提出了“八重道”方法，类似于门捷列夫的元素周期表，将粒子根据其性质排列成组。

如果元素周期表上出现空缺，则预示着新元素的存在。盖尔曼的八重道也具备这种预测能力。

他根据自己的理论推算，预言了Ω⁻超子的存在，并预测其质量约为1685兆电子伏特，平均寿命约为10⁻¹⁰秒（这在超子中算是长寿的，其他粒子寿命通常短于10⁻²²秒）。他还预测了Ω⁻超子的三种不同衰变方式。

1963年，塞米奥斯实验小组在云室中拍摄了近十万张照片，最终找到了盖尔曼预言的Ω⁻超子。这一发现具有重要的理论意义，标志着SU(3)对称理论的巨大成功，Ω⁻超子也被誉为粒子物理学中的“海王星”。

1964年，盖尔曼基于群论分析，提出了夸克模型。他认为强子并非基本粒子，而是由更基本的粒子——夸克——组成。

最初，他提出了三种夸克：上夸克（up, u）、下夸克（down, d）和奇异夸克（strange, s），以及它们各自的反夸克。这些夸克带有分数电荷：上夸克带+2/3e电荷，下夸克和奇异夸克带-1/3e电荷（e为基本电荷单位）。

根据夸克模型，质子由两个上夸克和一个下夸克（uud）组成，电荷为(+2/3e) + (+2/3e) + (-1/3e) = +e；中子由一个上夸克和两个下夸克（udd）组成，电荷为(+2/3e) + (-1/3e) + (-1/3e) = 0。

尽管夸克模型看起来像是拼凑而成，但它成功解释了强子的构成。为了验证夸克模型，需要真正找到夸克。