从1919年卢瑟福炮打核宫，时至今日，人们对原子核的研究已经历了整整80多年。在这半个多世纪中，人们借助各种侦察手段和探测装置，对于10-15米（10-15米又称1飞〔母托〕米，用1fm表示）的空间内的许多奥秘有了不少的了解和认识，取得了一个又一个丰硕的成果。原子核只是奇妙的微观世界中比原子更深的一个层次。那么，比原子核再小的世界又是什么样呢？质子、中子还能再分吗？质子、中子、电子、π介子等是构成万物的最小单元吗？为了回答这些有趣的问题，需要我们到比原子核更深的层次中做一次漫游，领略这小小天地的奥妙，这是当代探索物质微观世界最前沿的领域。
庞大的粒子家庭
自1897年J.J.汤姆逊发现电子以来，在这1个世纪中，人们发现的各种各样的粒子，记录在案的总数已超过400种，形成一个庞大的粒子家族。按照粒子发现的时间先后以及性质特征，可将这几百种粒子划分为四代。
第一代粒子
从电子发现到1947年找到π介子，这50年间发现的粒子称为第一代粒子。1932年以前观测到的粒子仅有4种，它们是电子（e）、质子（p）、中子（n）和光子（r）。在自然界中各自扮演着十分重要的角色，被认为是构成万物世界的最小单元，称为“基本粒子”。用它们能够圆满地解释五光十色的大自然，可谓天衣无缝。由质子和中子组成原子核；原子核与电子可以组成原子和分子；原子处于不同的能量状态，当它们的状态发生改变时，可以放出或吸收光子，光子是构成电磁场的基本单元。
然而，好景并不长，很快便被一些新奇现象打破了，迫使人们不得不重新认识这个世界。1930年，英国年仅27岁的年轻学者狄拉克，在他创建的新理论中，曾预言自然界中存在着一种带有正电荷的电子，取名正电子。1932年，安德逊利用云室进行宇宙射线的研究中，观测到一种质量与电子相同，所带电量也同电子一样，只是电荷性质相反，这就是正电子，从而使狄拉克的预言变成了现实（见图6-1）。从图中可以看出，入射粒子穿过6毫米厚的铅板，能量减小，运动径迹的半径变小了。与已知电子和α粒子在磁场中运动径迹相比较，通过计算，安德逊断定这种粒子正是正电子。
正电子的发现，很快就引起人们极大的兴趣。在以后的一些实验中多次证明了正电子的存在。不仅在宇宙射线中存在有正电子，而且在某些具有放射性核素参与的核反应过程中，也能够找到正电子的踪迹。目前，在实验中可以产生很强的正电子束。1988年，我国建成的北京正负电子对撞机，利用现代化的高科技手段能够产生高能量、大密度的正、负电子束。通过它们的碰撞，进行粒子物理等多学科、多领域的科学研究。这是我国高科技领域继原子弹、氢弹爆炸成功、人造卫星上天之后，在高科技领域又一重大突破性成就，是我国科学发展的伟大进步和高能物理研究的里程碑。
正电子是电子的一种反粒子。一种粒子与它的反粒子具有相同的质量、自旋和寿命，只是电荷与磁矩的性质刚好相反。正粒子与反粒子是相互的，正电子是电子的反粒子；那么，电子也可以说是正电子的反粒子。每一种粒子都有它的反粒子。比如，质子具有反粒子，称为反质子，符号用表示；中子的反粒子称为反中子，符号为。
正电子是历史上人类发现的第一个反粒子。安德逊也因此获得了1936年度诺贝尔物理学奖的殊荣，当时他年仅31岁，是荣获诺贝尔奖中最年轻的学者之一。当时，安德逊正从教于加利福尼亚理工学院。这时学院正准备给他晋升教授；而在提升之前，他便赴瑞典斯德哥尔摩领奖去了。
正电子是比较稳定的粒子。但当它与电子相遇时，奇怪的现象便发生了，正、负电子不见了，出现一道强的闪光，会有2个或3个光子产生，这就是所谓的湮没现象，即
e++e-γ+γ
正电子发现以后不久，人们在实验中观察到，当能量相当高的光子（γ）穿过物质时，能够产生一对正、负电子。表示为
2γe-+e+
这是自然界中物质相互转化的重要体现。电子在构成物质中扮演着重要角色，这些物质人们是可以摸得着、看得见的，称为实物物质。构成实物物质的电子、质子、中子等称为实物粒子。光子是组成电磁场的基本单元。电磁场是“隐形”物质，人们是摸不着、看不见的，这类物质称做场形物质。实物物质与场形物质是自然界中物质存在的两种基本形式。上述过程，就是这两类物质相互转化的情况。这在人类的认识史上无疑是个巨大的飞跃。
由反粒子组成的物质称为反物质。许多物理学家认为，宇宙间反物质是存在的。人们在实验室条件下已经能够制造出反物质。1965年，美国的布鲁海文实验室用能量为7吉电子伏（1吉电子伏等于10亿电子伏）的质子轰击铍靶时，产生了世界上第一例反物质。它是由反质子和反中子组合的“反氘核”，这一成就具有划时代的意义，它给人类指明了反物质不仅存在，而且利用人工方法可以制造出来。以后不久，又产生了“反氦”。更令人鼓舞的是，1996年人工合成的“反氢原子”获得成功。这些给人们带来了大量合成反物质的希望之光。为人类探索宇宙的秘密也将产生深远的影响。
历史上也曾发生过一些很离奇的现象，至今仍是个未解开的谜。早在1908年的6月30日，在西伯利亚通古斯河中游突然爆发了一场特大火灾，在这个区域的上空有一个爆炸着的大火球，爆炸响声传至几千里；产生的火光，使亚洲、欧洲甚至非洲的部分地区都出现了三天“白夜”；在直径30千米的范围内所有的森林都被连根拔起。这场罕见大火的起因至今还没有找出正确的答案。1957年4月，人们观测到一颗彗星，名字叫阿伦达·罗兰彗星，这颗彗星拖着的长长尾巴，与众不同的是，一般彗星的尾巴，因受太阳光的压力作用始终背离太阳；而这颗彗星则不然，它的尾巴总是弯向太阳。对于这些奇怪的现象，人们试图用宇宙间存在有反物质加以解释。认为有少量的反物质经过茫茫的空间来到太阳系，这些不速之客，在地球引力的作用下进入到西伯利亚地区与物质相遇，产生了大规模的湮灭现象，从而释放出巨大能量，出现强光、高温，导致通古斯河中游这场大火，给人类带来了巨大灾难。同样，阿伦达·罗兰彗星的长尾巴若由反物质构成，就会产生与正物质组成的彗星尾巴相反的效果。近些年来，人们通过大量的实验材料的分析，提出银河系的某些区域存在有反物质。为了检验这些判断的正确性，1998年6月3日清晨，美国“发现”号航天飞机从佛罗里达州肯尼迪宇航中心将一台大型的阿尔法磁谱仪首次送入太空，其目的之一就是对宇宙间反物质进行探测研究，为当今这一科学难题的解决做出贡献。
紧接着，1937年发现了μ粒子，1947年又找到了μ介子等等。截止到1947年，人们认识的粒子数目已达14种之多。在壮丽的大自然中，它们身居要位，各显神通。p、n、e-组成稳定的物质，γ光子传递电磁相互作用，π介子在传递核力中不可替代，在β粒子和μ粒子衰变的过程中，中微子ν扮演着不可缺少的配角。至于μ粒子在宇宙中存在，它担当的角色时至今日仍是个没有解开的谜。还有几种粒子，如反质子、反中子、中微子和它的反粒子等，理论上预言它们是存在的，只是人们尚未找到，直到20世纪50年代才相继被发现。
第二代粒子
1947年，物理学家罗彻斯特和巴特勒在研究宇宙射线中，通过云室拍下了大量的珍贵照片，其中两张令他们感到新奇。照片中粒子留下的径迹非常特殊（见图6-3）。由图可以看出，首先带电粒子π-与质子相碰，产生两个不带电的粒子Λ°与K°。由于它们不带电，没有电离作用，在云室中没有留下可供观测的径迹，图中用虚线表示。随后，Λ°粒子发生衰变，产生一个质子和一个π-粒子；同时，K°粒子衰变为π+和π-两个粒子。通过对衰变产物π+、π-和p的测量分析，发现新粒子Λ°与K°的行为与第一代粒子完全不同，运用已知粒子的性质解释这种现象行不通。新粒子有两个特别的性质，是人们以前从未遇到过的。
（1）快产生，慢衰变
π-粒子一般与质子接触，在10-23秒这样的瞬间，Λ°、K°粒子便可产生。然后，经过10-10秒，Λ°和K°各自衰变。尽管这两个粒子的寿命只有短短的100亿分之一秒，但存活的时间仍是产生所需时间的1013倍。1013倍是个什么样的概念呢？好比一位100岁老人与一朝分娩相比，还要差一万倍。
一般情况下，不论是原子过程还是原子核过程都是产生快的粒子，它的寿命短，衰变就必然快；反过来也是这样。而这两位新客人，情况刚好相反，不符合常规要求。
（2）成对产生，单独衰变
核反应过程中，只要有Λ°和K°粒子，它们总是成对出现，恰似一对双胞胎。这一对孪生兄弟衰变过程确是单独进行，各不相关，可谓同生不同亡。一般情况下，产生一个粒子的过程要比同时产生两个粒子更容易发生，这种成对产生的过程实属罕见情况。
到了20世纪50年代，在实验中观察到了同样的过程：利用加速器把π-粒子的能量提高，然后用这个重型炮弹轰击氢原子，便有K°和Λ°粒子产生，即
π-+p→K°+Λ°
K°和Λ°很快发生衰变：
K°→π++π-
Λ°→π-+p
类似的过程还表现在正、反粒子相遇的情况。比如
p+→K°+Λ°+p+π-
1953年，美国著名的理论物理学家盖尔曼（1929—）和日本物理学家西岛为了解释这些奇特的现象，他们称K°和Λ°粒子为奇异粒子，以区别我们前面介绍的第一代粒子。为了描述这类粒子的奇异性质，引入了“奇异量子数”概念，简称奇异数，用字母S表示。凡属于奇异粒子，S值不为零，但可以是正数，也可以是负数。如K°粒子，S=1；Λ°粒子，S=-1等。凡不属于奇异粒子，S值均为零，如π粒子，S=0。奇异数是奇异粒子的标志。
到目前，发现的奇异粒子有多个，把它们划分为两组：一组叫K介子，其中包括K+、K-和K°；另一组粒子的质量都超过核子的质量，起名叫超子。超子的名称大都用大写的希腊字母表示，其中有Λ°（兰姆达）、∑（西格马）、Ξ（克西）等。超子的成员正在不断地扩大。
1947年至1960年前后发现的奇异粒子称为第二代粒子。奇异粒子虽然在1947年从宇宙射线中已经发现了，但对于这一代粒子的性质真正了解那是20世纪50年代的事情。随着加速器技术的发展，可以利用人工方法获得奇异粒子，才使得这方面的研究工作不断深入。
到了1960年，第一代与第二代粒子总数已达到30种。随着粒子家族成员不断增加，人们在这个领域的研究也在不断地扩展。电子、质子、中子和光子的发现，使人类的认识深入到了原子和原子核空间；正电子、μ粒子、π介子和奇异粒子的发现，使人们已经认识到，粒子物理有着独自的丰富内容，从此开始成为一门独立的学科。
（3）第三代粒子
随着加速器能量不断提高，1952年，费米利用高能量加速器加速π+粒子，然后用它撞击质子靶，从大量的实验资料中，观察到非常有意义的一些现象。当π+粒子的能量提高到某一个数值时，与质子相撞后能够形成一个短暂的复合体。这个复合体具有一定的能量、电荷、自旋和寿命，它的各种性质和表现完全等同于一个粒子。人们叫做共振态粒子，用符号△++表示。△是这种粒子的符号，两个加号表示这种粒子带有两个单位的正电荷。这是人们发现的第一个具有代表性的共振态粒子。它的能量高达1236MeV，一般写成△（1236）。碰撞过程表示为
π++p→△++
△++的寿命非常短，仅为10-24秒。很快就进行衰变：
△++→π++p
共振态粒子实际上就是一个处于高能量状态的复合核。大质量，短寿命，与第一代和第二代粒子的性质有着明显的区别，称为第三代粒子。从20世纪50年代中期到20世纪60年代初期，随着各种类型高能加速器的问世和高能探测系统的迅速发展，可以加速各种带电粒子打击靶核，能够探测各种粒子。因此，到了20世纪60年代初期，发现的共振态粒子已超过200种。它们的寿命大约在10-24～10-23秒范围内。具有代表性的还有：
π++n→△+
π-+p→△。
π-+n→△-
共振态粒子是粒子碰撞过程中，产生的一种中间过度性的状态。由于共振态粒子种类繁多，通过对这一代粒子的研究，人们可以得到这类粒子内部情况的许多信息，诸如能量、电荷、自旋、寿命等，为进一步探索粒子的内部结构、性质及其运动规律有着重要的意义。
（4）第四代粒子
20世纪70年代以来，科学家们在实验中又发现许多性质各异的粒子，为粒子大家族增添了不少新伙伴。最具代表性的有：
1974年的夏天，美籍华人、著名的物理学家丁肇中博士（1936—）领导的实验小组，利用加速器获得的高能量质子流相互碰撞，目的是研究碰撞后产生的正、负电子对的情况以及一些粒子间电磁力的性质。在8月初的实验中，当碰撞质子对的能量达到3.1吉电子伏时，记录仪器突然出现了异常现象，记录到的电子对的数目成倍增加。进行反复实验，获得同样的结果。到了10月底，累积资料超过500例，小组成员意识到，这是一种新的粒子。由测量的数据已清楚表明，这种粒子的质量很大。在粒子物理学中，依据质量与能量之间的关系，常常用能量的多少来表示粒子质量的大小。这种新粒子的能量为3.1吉电子伏，那么它的质量也用这个数值来表示。这种表示方法非常方便，在粒子物理中被普遍采用。按照常规，粒子的质量越大，它的寿命越短；而这种新粒子则不然，它的质量是质子的3倍多，但它的寿命却比较长，为10-20秒，是同类粒子的1000多倍。这些特点，标志着新粒子不同于前三代的粒子，给它取名为“J粒子”。因为英文大写字母“J”与中文丁字相似，故而以此命名。
差不多同一时间，美国斯坦福直线加速器中心的实验室利希特（1931—）领导的实验小组，在研究正负电子对的碰撞实验中，发现了一种行迹可疑的新粒子，并给这个不寻常的粒子取名叫ψ（普赛）粒子。由各种测量的数据看，J粒子与ψ粒子各种性质完全一样，表明它们是同一种粒子。由于是两个实验小组各自独立做出相同发现，于是，新粒子共同取名为J／ψ粒子。为表彰两个实验小组做出的贡献，他们分享了1976年度诺贝尔物理学奖。
