夸克和轻子表现为物质的基本成分。此外可能还要加上弱力和电磁力的统一理论以及强（核）力的新理论的场粒子，或媒介物。本文简述了这幅新图像的若干主要的证据，并指出了一些尚待回答的问题。

第一个轻子是J. J. Thomson在1897年发现的电子。轻子是自旋为?（单位为h）的一族粒子，表1中总结了它的成员，包括两个最近才加入的。

带电的轻子参与电磁和弱相互作用（如放射性β衰变中的那种反应），而带零电荷的中微子只受弱力的影响。

自从它在40年前被发现以来，μ-粒子仍是粒子物理中的一个很大的谜；它与电子仅仅质量不同，都具有相等的电磁力和弱力的耦合强度，并且不存在可以造成这种质量差别的附加的相互作用模式。而且在1961年发现电子与μ-粒子分别与不同的中微子v_e和v_μ相联系。另外一对轻子是最近才列入这个表的；夸克类型的数目有相应的扩大，形式的这种多样性是目前粒子物理最令人烦恼的方面之一。

在以相反方向沿圆周运动的e⁺和e⁺注的对头碰撞中，高能电子（e^-）和正电子（e⁺）的湮灭，导致带电轻子对或一些重子的产生（重子既参与弱和电磁相互作用，又参与强相互作用）。τ-轻子于1975年被Perl等人所发现，他们利用了建造在SLAC实验室的名为SPEAR的e⁺e^-对碰机。它的存在由位于汉堡的DESY实验室的名为DORIS的类似的机器上做的实验所证实。它似乎肯定与一种新的中微子v_τ相联系，虽然v_τ的质量限仍很高，但目前还是假设它与v_e和v_μ—样具有零质量。

电子和μ-粒子的磁矩已由两个很漂亮的实验以很高的精确度加以测定。在电子方面的工作由Dehmelt等人在Seattle达到10¹⁰分之一的准确度，而在欧洲联合核子中心（CERN）由Picasso所领导的集体在不稳定的μ-粒子的统计性质方面所做的工作达到10⁸分之一的准确度。这些实验检验了量子化的电磁理论，即量子电动力学（QED）的适用性；

最低阶的图相应于与一个作为外电磁场的媒介物的虚光子相互作用，它给出Dirac磁矩μ_D；辐射修正包含了虚光子的辐射和再吸收，在高阶中包括了虚的带电轻子对的瞬时出现。这种“结构”连同场是反常磁矩的根源。已进行过六阶的计算（96张图有贡献），理论和实验之间卓越的一致表示了QED的惊人成功。此外实验还得出了有关电子和μ-粒子的如下结论：（1）并不存在足以说明μ-粒子的较重质量的一种新的耦合的证据；（2）至少到接近于10^-15厘米的距离，电子和μ-粒子的行为类似于点状的无结构的粒子。

夸 克

在实验室中轻子可以被产生出来，其性质能以很高的精度加以测量。与此相反，我们对于夸克所知道的一切都是从间接的情报推出的，例如强子谱的式样，e^-e⁺湮灭的产物，利用轻子散射以探测核子以及类似的过程。存在若干技术上的困难，以及寻找自由夸克的失败，使得对这种概念发生怀疑。这些疑难使得对于那种导致目前所流行的关于认为夸克是强子结构成分的某些证据进行总结是有价值的。

专克假说是I964年由Gell-Mann和Zweig两人独立提出的，这是为解释各种强子谱（已知有200种以上）所作的成功的努力的高潮。有两类主要的强子：具有半整数自旋的强子包括质子和中子（核子）；介子具有整数自旋。（所有半整数自旋的粒子称为费米子，而整数自旋的粒子称为玻色子。）

SU(3)群的转换不变性意味着这些多重态的成员都具有相等的质量。但是，这种对称性被破坏以后，质量的不同就发生了；人们可以使s夸克比u和d夸克的重约150 MeV以适应这些。如果夸克具有自旋1/2，具有类似于Dirac的磁矩，并且假定u和d夸克的质量大约为350 MeV（但这应该被认为是自由夸克的质量，如果他们存在的话），则具有较低质量的强子的质量和磁矩就能够被理解。

给定夸克的自旋为1/2，就允许采用不同自旋的SU(3)多重态来描述强子态，它包含在更高对称性的SU(6)的表示中。夸克模型已被扩展到包括轨道（角动量）和径向激发，以便解释更高质量和自旋的谱。

由前四个夸克所表明的夸克味和-1/3和2/3电荷对，是与弱和电磁相互作用新的统一理论所要求的夸克 - 轻子对称性相关联的。这就是采纳第六种味“顶”以伴随“底”的理由。还不可能预测带有夸克的强子的质量，但是“顶子偶素”和“暴露出来的顶”强子的质量可能落在PETRA和另外一台在SLAC的将在一年左右启用的新的e⁺e^-对碰机称为PEP的范围内，两者均具有最大能量为40 GeV左右。

另一种从强子谱研究中揭示出来的夸克态的重要性质称为“色”。某些重子（如质量为1238 MeV自旋3/2的Δ⁺⁺态）包含着相同的夸克，都具有平行的自旋，并处于对一对夸克的交换为对称的态中（波函数不改变符号）。这破坏了基本规则，泡里的自旋 - 统计定理，它要求描述相同费米子体系的总的波函数对于成对交换是反对称的。这一困难已经利用引入另一个自由度加以解决，这是一种区别原为同类的夸克的方法。这要求一组三个符号，例如红、蓝和绿。于是夸克之间的力就必须是这样的，在任何瞬间各个夸克具有不同的颜色［例如Δ⁺⁺（1238）态是（u_Ru_Bu_G）] 。这要求波函数的颜色部分对于一对颜色指标的交换是反对称的（以满足自旋 - 统计规则），这使低的强子态是颜色单态——即没有净的颜色的态；因而这个新的因素不会由于存在颜色态而导致强子谱的进一步扩大。

π⁰介子的寿命提供了存在颜色的部分直接证据：如果不存在颜色，寿命的预测值将相差一个因子9。颜色是和夸克束缚力的本性密切相关的，我们将在强相互作用的新理论中讨论这一点。而现在我们来看三种不同类型的实验，它们给出了夸克组合模型的证据并进一步支持了颜色。

轻子 - 核子散射

虽然在尽可能最高的能量设法检测出从核子中被击出的夸克的实验都失败了，但是，这些实验在对建立强子结构的可以被接受的图像方面起了重要的作用。特别是在利用轻子作为核子的高能探针方面更是如此，轻子本身显然没有结构，对其相互作用的本性，电子和μ-粒子的电磁力以及中微子的弱力已有很好的了解。

1960年末在SLAC进行的电子散射实验，以及稍后在日内瓦的CERN的Gargamelle气泡室中利用中微子束进行的实验，这是对于核子而言重复了本世纪初Rutherford对原子所进行的α-粒子散射实验。他们发现了在高动量转移的碰撞中核子内有类似于点状结构的证据；而且，这两个实验共同证明了这些组分（Feynman称之为部分子）具有恰好是对夸克所期望的那些性质：分数电荷和自旋1/2。而且虽然有相当大的误差，中微子实验能够“数出”核子内的“价夸克”（它们决定其物理属性）的数目，其结果接近于三。

被击中的夸克并不作为核子的残骸逃出，因此必须假设在夸克与胶子之间有某种持续的强相互作用，夸克是“被裹着的”并表现为一个由通常的核子所组成的喷注。但是，在某种平均意义上来说，可以期望这种喷注带有关于其前代夸克的信息。

这种意味着不依赖于基本长度或标度，并在其中的夸克被作为自由的独立实体对待的简单的“类点”行为常被称为标度；它导致了弱相互作用的总截面随能量而线性上升。但是，在SLAC用电子做的进一步的实验，和在Fermilab用粒子和中微子做的以及最近用暴露在CERN-SPS的高能中微子注中的大型探测器做的实验，已经显示出与这种简单图像的偏离。这是并不奇怪的，在当截面达到由反应理论所设定的上限——统一性限制以前，线性上升必须停止；当动量转移与弱相互作用的媒介物的质量可以相比时将发生截面上升的跌落，但是这些效应在目前的实验中是并不重要的。这也是夸克图像中的一个表面的佯谬：它们被如此强地束缚着以致无法外逃，但在高动量转移的碰撞的冲击下仍表现为准自由的。事实上这些“标度破坏”效应在10 ~ 20%的水平上就发生了，这可以作为了解夸克与胶子之间相互作用的重要线索，现在已在强相互作用的基本形式中看到了。

电子 - 正电子湮灭

强子产生的μ-粒子对

夸克 - 部分子模型也能成功地描述强子之间的高能碰撞中μ-粒子对的产生。

这样三种十分不同类型的实验反映出同样的内部结构与强子谱一起（以及一些未提及的其他现象），这些证据的总体是有利于夸克实体在现在是压倒一切这一点的。但也有一些重要的不符合之处，定量的和定性的都有，这表明朴素的夸克 - 部分子模型并非是完整的故事。下一步应看到这些不符合是否也具有共同的起源，特别是其中哪些反映了夸克 - 胶子相互作用。

弱和电磁相互作用

与电磁力相类似，据信弱相互作用是由自旋为1的粒子作为媒介的，称为中间矢量玻色子（表3），它必定是很重的（＞20 GeV），这是由于在目前的能量范围内能量与截面的依赖关系并未出现重要的跌落。弱相互作用对于β - 衰变和许多其他的过程有响应，它为V-A理论所很好地描述，其中有两种形式的矢量相互作用（V和A）参与。V与A的混合导致了宇称破坏，或者说对于镜像变换不具有不变性，这是弱相互作用的特点。

电荷守恒定律可与这件事相联系：电磁势不是唯一的，或者等价地说，QED理论对于被称为U(1)群的规范变换是不变的。电磁相互作用不破坏宇称。但是这两种力的矢量本性，使得它很自然地要去寻找一种理论框架，即一种规范理论，能够描述这两种现象。不过似乎至少有一个基本的障碍：唯一的已知弱相互作用形式包含着参与者引起的电荷改变，这要求被交换的场粒子带有电荷。与此相反，电磁交换流是中性的，并且似乎在弱相互作用中没有其对应者。多数的统一方案要求除了熟知的带电弱流以外还有中性弱流。

这个重要问题于1973年在CERN由于发现了弱中性流而解决了，此实验是由Lagarrique及其合作者利用暴露在CERN的中微子注中的Gargamelle气泡室做出的。最成功的统一规范理论同时也是最简单的；它是由Salam和Weinberg独立地建立的，并由于t'Hooft的工作而获得了坚实的理论基础。在各种中微子实验中已积累了对这种理论的实验支持，而且最近由Taylor等人在SLAC所做的一个漂亮的实验中已观察到由于弱中性流所导致的微小的宇称破坏效应。这对于Salam-Weinberg理论在中微子导致的过程以外提供了第一个检验，其结果与中微子实验中的惊人一致。在某些原子的转变过程中也曾设法检出由于弱中性流所导致的宇称破坏，在某些早期的零结果以后，现在已经观察到宇称破坏效应；但是实验是困难的，情况仍不太清楚。

Salam-Weinberg理论是一种规范理论，其中中间玻色子与左旋的夸克或轻子双重态（或与右旋的反夸克或反轻子的双重态）相耦合。（左旋和右旋描述自旋与动量方向之间的关系。右旋粒子的运动方向相应于顺时针旋转——好像是一个右手螺旋的开塞钻。这种耦合的不对称是明显地破坏宇称的。）由W⁺作为媒介的带电流相互作用使双重态成员中的一个转变为另一个，类似于在“弱同位旋”空间中的一种旋转。这种操作属于SU(2)规范变换群；因此理论的基本规范对称结构是SU(2)_WXU(1)_E。

实际上弱SU(2)双重态中的电荷为-1/3的成员并不与强子谱中的味态d和s一致。弱相互作用与s和d的混合相耦合。

d'=d · cosθ_c+s · sinθ_c

s'=-d · sinθ_c+s · cosθ_c

其中θ_c是混合角，由Cabibbo引入（与b的任何混合都是很小的）。这种结构解释了奇异粒子的被压低了的衰变率（s→u比例于sin²θ_c ~ 0.06），并且也提供了包括由Glashow Illiopolous和Maiani所建议的粲夸克的一种机制，用于解释к°→μ⁺μ^-的极低的衰变率。

为了保证无法处理的无穷大不妨碍用这种形式的理论进行计算，必须满足一个条件，在Salam-Weinberg理论中要求对夸克和轻子双重态的电荷求和必须等于零。表4表明如果有三种颜色以及轻子和夸克对的数目是相等的话，这个条件是满足的。

Salam-Weinberg理论的成功特别引人注目的是它仅包含一个自由参量，Weinberg角θ_W，它给出了电磁（e）和弱（g）相互作用的相对强度：

sin²θ_W=e²/g²

sin²θ_W已由各种实验所确定，包括在SLAC的电子 - 氘核散射的一个实验，而且所有这些测得的值均接近于平均值，0.23±0.02。理论的一个预言是给出了弱矢量玻色子的质量为：

现有的粒子加速器或对碰机没有一个能达到产生这些态的能量，这对下一代超高能量装置提出了一个重要的挑战。第一个这种机会将来自CERN目前正在建造的质子 - 反质子对碰机。其目的是在CERN的SPS中贮存质子和反质子；这两种注将以270 GeV的能量沿着相反的方向旋转，因此当它们在检测装置的中心碰撞时，可以得到540 GeV以产生W和Z。

强相互作用的一种理论

基于颜色是“强荷”而夸克之间的力是通过交换带色的零质量的胶子作为媒介的这样一种概念，已经发展了一种强相互作用的规范理论，在其最基本的形式中，夸克被束缚在它所在的强子中。胶子形成一个自旋为1的颜色八重态（8），颜色的SU(3）。对称性被假定是准确地成立的。这个理论称为量子色动力学或QCD，这个理论产生了一种具有两个引人注目的性质的力，它提供了对于理解夸克的佯谬行为的一种可能的基础，这种理论目前已在实验方面获得了更多的定量支持。

与QED相反，在那里交换粒子不带电荷，因此光子彼此之间没有相互作用（至少在最低阶是如此），在QCD中胶子带有色荷有强烈的相互作用。这导致了两种力之间的深刻的区别：电荷之间的库仑势随距离而减弱（∝1/r），在QCD中夸克之间的力可以是增加的；相反地在近距离时力变弱，正如在高动量转移的碰撞中被探测到的那样。后面这个性质称为渐近自由，它提供了为理解简单夸克 - 部分子模型的成功的定性基础。在另一方面，在夸克间的距离很大时，这种力强得足以防止自由夸克从它们的强子内的组分中逃出；

在长距离行为方面，夸克 - 胶子耦合是强的，至今除了有强烈依赖于模型的方法以外还无法计算。但是，在建立包括夸克囚禁和描述强子态谱的各种模型方面已取得相当的成功。在另一方面，在近距离时可用微扰法计算，高能范围内耦合强度较弱。这就允许进行例如对夸克 - 部分子模型计算其“强辐射修正”。正如已指出的，朴素的观点假设夸克是自由的，但是胶子耦合的一阶效应导致与准确的标度的偏离，这是可以计算的，并且可以与实验相比较。

在图8中给出了一阶QCD修正的一些例子。最近在标度破坏方面的实验数据的分析表明，在总的方面与QCD的预言符合得很好。一个例子是Perkins及其合作者利用BEBC和放在CERN的中微子注中的Gargamelle气泡室所做的中微子散射研究。在这个实验中通过观察到的核子中夸克的动量部分分布与碰撞中的动量转移之间的依赖关系，证实了标度的破坏。这个结果在图9中以三组不同的动量对的曲线给出；图中的直线的斜率是由QCD所预言的，与实验数据很好地符合。这个结果表明标度破坏的形式与QCD的预言一致，而且特别是斜率的大小是胶子具有矢量本性的一种证据。

一阶QCD修正（图8b）也说明了测得的R值应比朴素理论预言的稍大。胶子的更直接的证据正在高能碰撞所产生的强子簇射中寻找，其中有些应在胶子喷注中产生。由e⁺e^-湮灭所形成的“偶素”态，例如“粲子偶素”或“底子偶素”被迫通过三个胶子衰变为强子（Υ→3g→强子），这就提供了另一种对胶子进行研究的“实验室”。迄今在关于通过T形成产生强子和直接的e⁺e^-湮灭之间已发现了明显的区别，但是对于三胶子的中间媒介角色的证明仍有待于更高质量的“顶子偶素”。

现在许多其他的实验正在使QCD接受仔细的检验，目前的迹象表明：在强相互作用的理论方面将第一次有一场严重的竞争。

明天的问题

在实验的前沿上，SLAC极化电子散射实验的结果，可以马上关闭（或者开放）遗留给Salam-Weinberg弱 - 电相互作用统一理论的竞争者的少数几个漏洞之一，这种统一的意义等于麦克斯韦对电磁力的统一。但是更重要的检验还必须有待于中间矢量玻色子W^±和Z°的观察。这将在正在建造中的高能对碰机，如将在1981年运行的CERN的

对Salam-Weinberg理论的几乎是确证性的实验支持带来了一个问题。基于杨振宁-Mills的规范理论，它只能适用于无质量的粒子。质量的引入依赖于所谓Higgs机制，其结果是至少存在一种被称为Higgs介子的中性的自旋为0的粒子。其一般性质是知道的，但对其质量尚未预测，它必定大于 ~ 12 GeV，甚至可能大到1000 GeV。对于Higgs介子的寻找或者至少是它存在的一个间接的暗示，是将来的一个基本的目标，特别是对于LEP机而言。

纲要似乎已很好地被确定了，但是假如找不到W^±或Z°呢？在LEP的高能量下，弱相互作用将赶上电磁力的相互作用，关于它们的性质的新观点必定会被揭示出来。

在强相互作用领域中，QCD对于剩下的令人烦恼的问题的研究和了解带来了新的希望，特别是在“长距离、低能和强耦合”范围内，在那里夸克囚禁的问题仍有待于理解。致力于在高能过程探测“近距离”方面进行检验，其计算可以采用微扰法。QCD具有很大的理论吸引力，这是一种具有矢量中介物的规范理论，它带有最终统一弱 - 电理论的诺言，但是判决性的实验检验将是很困难的。主要的角色夸克和胶子都在隐蔽在无法直接观察的后台活动。

回忆原子、核、核子这个系列，现在前沿已转移到核子内部；而老的强子谱似乎是被一个新的夸克和轻子的谱所取代。到底有几种夸克的味和几种轻子呢？还有没有更深层次的结构未被揭示出来呢？只有实验才能回答、更多的味可能会在PETRA、PEP和LEP上被发现。但是重要的征兆是正在建立起来的在基本粒子态（夸克和轻子）与力的本性之间的联系。Salam-Weinberg理论将夸克与轻子联系起来了，如果有多于16种夸克的味的话，QCD将松弛其渐近自由性质；夸克从4种增加到6种，这正好是为在K°-介子少见的衰减中观察到的时间反演不变性的破坏提供一种机制所希望的。

基本的难题是找到一种理论结构，它能将三种力统一为一种强 - 电 - 弱理论。这需要一个更大的对称群包括SU(3)_C×SU(2)_W×U(1)_E。这种巨型的统一可以为许多尚未解决的问题提供答案，包括夸克与轻子的相对质量，sin²θ_W和Cabibbo角θ_C的值。在这些方案中，质子通常将失去其绝对稳定性，以至少为10³⁴年的寿命衰变，目前的限下限是＞10³⁰年。此外还有爱因斯坦留下的更大的尝试，达到与主宰宇宙的力——重力的统一，但在粒子水平上它的效应对于研究来说是太微弱了。

大多数的夸克和轻子似乎是多余的；μ-粒子之谜在当它的新伙伴到来以后变得更为深刻了。在高能实验室以外建造我们的世界，自然只需要一种夸克对（u，d）和一种轻子对（v_e，e^-）。其余的夸克味和轻子似乎并不是重要的角色［除开额外的中微子（如果它无质量的话），将有助于确定在大爆炸以后的最初的一瞬间的进程] ；这些就是自然的总的图像的线索，根据Salam的观点，这可能是比粒子更经济的原理。

〔Nature，第278卷，第5703期，第403页；1979年3月29日〕