[拼音]：lizi
[外文]：
又稱高能化學(xué)學(xué)或基本粒子化學(xué)學(xué)，數(shù)學(xué)學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科。它研究比原子核更深層次的微觀世界中物質(zhì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和在很高的能量下，這種物質(zhì)互相轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，以及形成這種現(xiàn)象的緣由和規(guī)律。它是一門基礎(chǔ)學(xué)科，是當(dāng)代數(shù)學(xué)學(xué)發(fā)展的前沿之一。粒子化學(xué)學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，而又基于實(shí)驗(yàn)和理論密切結(jié)合發(fā)展的，它大致經(jīng)歷了三個(gè)階段。
第一階段(1897～1937)
在這個(gè)階段里，兩千多年來人們關(guān)于物質(zhì)是由最小構(gòu)成單元──原子構(gòu)成的思想，由哲學(xué)的推理，弄成了科學(xué)的現(xiàn)實(shí)，并且在這個(gè)階段終了時(shí)，產(chǎn)生了現(xiàn)代的基本粒子的思想。
原子的概念，是由2400年前的法國(guó)哲學(xué)家德謨克利特和中國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)代的哲學(xué)家惠施提出來的?；菔┱f:“至小無內(nèi)量子和粒子物理學(xué)何以解釋一切，謂之小一，”意思是最小的物質(zhì)是不可分的量子和粒子物理學(xué)何以解釋一切，叫做最小的單元。這個(gè)最小的單元，就是德謨克利特稱為原子的東西。并且她們都沒能說明原子或“最小的單元”具體是哪些。以后的2000多年間原子這個(gè)概念，只逗留在哲學(xué)思想的范疇。
1897年，J.J.湯姆孫在實(shí)驗(yàn)上發(fā)覺了電子，1911年，E.盧瑟福由α粒子大角度彈性散射又否認(rèn)了帶正電的原子核的存在，這樣，就從實(shí)驗(yàn)上證明了原子的存在和原子是由電子和原子核構(gòu)成的。
1932年，J.查德威克在用α粒子轟擊核的實(shí)驗(yàn)中發(fā)覺了中子。隨后人們認(rèn)識(shí)到原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，因而得到了一個(gè)所有的物質(zhì)都是由基本的結(jié)構(gòu)單元──質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成的統(tǒng)一的世界圖象。
就在這個(gè)時(shí)侯開始產(chǎn)生了現(xiàn)代的基本粒子概念。1905年，A.愛因斯坦提出電磁場(chǎng)的基本結(jié)構(gòu)單元是光子，1922年被A.H.康普頓等人的實(shí)驗(yàn)所否認(rèn)，因此光子被覺得是一種“基本粒子”。1931年，W.泡利又從理論上假定存在一種沒有靜止質(zhì)量的粒子──中微子（嚴(yán)格地講是反中微子，中微子的存在是1956年由F.萊因斯和C.L.科恩在實(shí)驗(yàn)上否認(rèn)的）。
相對(duì)論性量子熱學(xué)預(yù)言，電子、質(zhì)子、中子、中微子都有質(zhì)量和它們相同的反粒子。第一個(gè)反粒子──正電子（電子的反粒子）是1932年C.D.安德森借助置于強(qiáng)磁場(chǎng)中的云室記錄宇宙線粒午時(shí)發(fā)覺的，50年代中期之后相繼發(fā)覺了其他粒子的反粒子。
隨著原子核化學(xué)學(xué)的發(fā)展，發(fā)覺不僅已知的引力互相作用和電磁互相作用之外，還存在兩種新的互相作用──強(qiáng)互相作用和弱互相作用。標(biāo)志四種互相作用的硬度的無量綱互相作用（耦合）常數(shù)及由它們引發(fā)的過程速度（反應(yīng)率）見表1。
第二階段(1937～1964)
這個(gè)階段的開始以1937年在宇宙線中發(fā)覺μ子為標(biāo)志。
μ子的發(fā)覺
1934年，湯川秀樹為解釋核子之間的強(qiáng)作用近程力，基于同電磁作用的對(duì)比，提出這些力是由質(zhì)子和（或）中子之間交換一種具有質(zhì)量（電子質(zhì)量的200～300倍）的基本粒子──介子引發(fā)的。1936年，C.D.安德森和S.H.尼德邁耶在實(shí)驗(yàn)上確認(rèn)了一種新粒子，其質(zhì)量是電子質(zhì)量的207倍，這就是后來被稱為μ子的粒子。μ子是不穩(wěn)定的粒子，它衰弄成電子、一個(gè)中微子和一個(gè)反中微子，平均壽命為2×10-6秒，載流子為媡/2。
湯川最初提出的介子的電荷是正的或負(fù)的。1938年，N.J.凱默基于實(shí)驗(yàn)上發(fā)覺的核力的電荷無關(guān)性的事實(shí)，發(fā)展了稍早些時(shí)侯出現(xiàn)的同位旋的概念，完善了核力的SS(2)對(duì)稱性理論。這個(gè)理論有兩個(gè)重要的結(jié)果，一是不僅帶正負(fù)電的介子之外，還應(yīng)該有不帶電的中性介子，三種介子的質(zhì)量應(yīng)該相同；二是強(qiáng)互相作用的粒子可按同位旋分成一組組的多重態(tài)。
h介子和奇特粒子的發(fā)覺
1947年，M.孔韋爾西等人用計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)方式發(fā)覺μ子并沒有強(qiáng)作用，直接的證明是1948年由張文裕用云室研究μ子同金屬箔直接互相作用得到的。1947年C.F.鮑威爾等人在宇宙線中借助核乳膠的方式發(fā)覺了真正具有強(qiáng)互相作用的介子，其后，在加速器上也否認(rèn)了這些介子的存在。它們的質(zhì)量約是電子質(zhì)量的270倍，帶有正電荷或負(fù)電荷，被稱為π±介子。1950年發(fā)覺了不帶電的π0介子。μ子后來則和電子以及中微子歸于一類，被統(tǒng)也稱輕子。
自此之后人類認(rèn)識(shí)到的基本粒子的數(shù)量越來越多。就在1947年，G.羅徹斯特和C.巴特勒在宇宙線實(shí)驗(yàn)中發(fā)覺了V粒子(即K介子)，這就是后來被稱為奇特粒子的一系列新粒子發(fā)覺的開始。因?yàn)樗鼈兤嫣氐男再|(zhì)，一種新的量子數(shù)──奇特?cái)?shù)的概念被引進(jìn)到粒子化學(xué)中。在這種奇特粒子中，有質(zhì)量比質(zhì)子輕的奇特介子K±、K0和
；有質(zhì)量比質(zhì)子重的各類超子，包括Λ0、Σ±、Σ0、Ξ0和Ξ-等。這種新發(fā)覺的粒子，都是不穩(wěn)定的粒子，除h0介子外(它的壽命是10-16秒)，它們的平均壽命都在10-6～10-10秒之間，所以在月球上的一般條件下，它們并不存在，在當(dāng)時(shí)的情況下，只有依靠從太空飛來的高能量宇宙線能夠形成。
這種發(fā)覺了的基本粒子，加上理論上預(yù)言其存在，但仍未得到實(shí)驗(yàn)否認(rèn)的引力場(chǎng)量子──引力子，按互相作用的性質(zhì)，可分成引力子、光子、輕子和強(qiáng)子四類（表2）。
新粒子大發(fā)覺和強(qiáng)作用SU(3)對(duì)稱性的構(gòu)建
為了克服宇宙線流強(qiáng)太弱這個(gè)限制，從50年代初開始建造能量越來越高、流強(qiáng)越來越大的粒子加速器。實(shí)驗(yàn)上也陸續(xù)出現(xiàn)了新的強(qiáng)有力的偵測(cè)手段如小型氣泡室、火花室、多絲反比室等，開始了新粒子的大發(fā)覺時(shí)期。到了60年代頭幾年，實(shí)驗(yàn)上觀察到的基本粒子的數(shù)量早已降低到比當(dāng)初元素周期表出現(xiàn)時(shí)發(fā)覺的物理元素的數(shù)量還要多，但是發(fā)覺的勢(shì)頭還有增無已。1961年，由M.蓋耳－曼及Y.奈曼提出的，用強(qiáng)互相作用的SU(3)對(duì)稱性來對(duì)強(qiáng)子進(jìn)行分類的“八重法”。八重法分類不但給出了當(dāng)時(shí)早已發(fā)覺的強(qiáng)子在其中的位置，還確切地預(yù)言了一些新的粒子，如1964年用氣泡室實(shí)驗(yàn)發(fā)覺的Ω-粒子。八重法挺好地說明粒子的載流子、宇稱、電荷、奇異數(shù)以及質(zhì)量等靜態(tài)性質(zhì)的規(guī)律性。
在此階段中，否認(rèn)了不單電子，所有的粒子，都有它的反粒子（有的粒子的反粒子就是它自身，如h0、η等）。其中第一個(gè)帶電的反超子廟-是由中國(guó)的王淦昌等在1959年發(fā)覺的。據(jù)悉，還發(fā)覺了為數(shù)諸多的壽命極短，經(jīng)強(qiáng)作用衰變的粒子──共振態(tài)。
基本粒子大量發(fā)覺，使人們懷疑這種基本粒子的基本性?；玖Ｗ拥母拍?，面臨一個(gè)突變。這就是這個(gè)階段終了時(shí)粒子化學(xué)在實(shí)驗(yàn)上的狀況。
這個(gè)階段理論上最重要的進(jìn)展是量子場(chǎng)論和重正化理論的構(gòu)建，以及互相作用中對(duì)稱性質(zhì)的研究。
量子場(chǎng)論和重正化理論的發(fā)展
上一階段對(duì)微觀世界理智認(rèn)識(shí)的最大進(jìn)展是量子熱學(xué)的構(gòu)建。經(jīng)過一代化學(xué)學(xué)家的努力，量子熱學(xué)能挺好地解釋原子結(jié)構(gòu)、原子波譜的規(guī)律性、化學(xué)元素的性質(zhì)、光的吸收及幅射等等現(xiàn)象，非常是當(dāng)它同狹義相對(duì)論結(jié)合而構(gòu)建相對(duì)論性量子熱學(xué)之后，它早已成為微觀世界在原子、分子層次上的一個(gè)基本理論。并且，量子熱學(xué)還有以下幾個(gè)方面的不足：
（1）它不能反映場(chǎng)的粒子性；
（2）它不能描述粒子的形成和湮滅的過程；
（3）它有負(fù)能量的解，這引起化學(xué)概念上的困難。量子場(chǎng)論是由P.A.M.狄喇克、E.P.埃及、E.P.維格納、W.K.海森伯和泡利等人在相對(duì)論量子熱學(xué)的基礎(chǔ)上，通過場(chǎng)的量子化的途徑發(fā)展下來的，它挺好地解決了這三個(gè)問題。
在量子場(chǎng)論領(lǐng)域中最早發(fā)展上去的是量子電動(dòng)熱學(xué)，它是把電磁場(chǎng)（光子場(chǎng)）和電子場(chǎng)都加以量子化，進(jìn)而描述電子和光子的各類現(xiàn)象的一種理論。40年代里，人們對(duì)這個(gè)理論中的發(fā)散困難作了深入的剖析。因?yàn)镴.S.施溫格、朝永振一郎、R.P.費(fèi)因曼和F.J.戴森等人的努力，在解決這個(gè)問題上有了突破性的進(jìn)展。她們發(fā)覺，假如重新定義理論中的質(zhì)量和電荷，使之同實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)值相應(yīng)，則量子電動(dòng)熱學(xué)中的無窮大結(jié)果不再出現(xiàn)。這些清除無窮大結(jié)果的方式，稱作重正化理論。它不但在原則上解決了量子電動(dòng)熱學(xué)中出現(xiàn)的發(fā)散困難，還提出了一整套按電子電荷的冪次展開的，直觀的，用圖形表示的逐級(jí)近似（微擾近似）的估算方式──費(fèi)因曼圖方式，使量子電動(dòng)熱學(xué)的估算有了簡(jiǎn)單可靠的、具有相對(duì)論協(xié)變性質(zhì)的基礎(chǔ)。P.庫什和H.M.福里1947年發(fā)覺的電子反常磁矩，和由W.E.蘭姆等發(fā)覺的氫原子的22S1/2和22P1/2基態(tài)的分裂，只有通過量子電動(dòng)熱學(xué)的重正化理論能夠得到正確的解釋(見μ子和電子回磁比?屠寄芬莆?)。明天，量子電動(dòng)熱學(xué)早已經(jīng)受了許多實(shí)驗(yàn)上的驗(yàn)證，成為電磁互相作用的基本理論。
探求強(qiáng)作用的基本理論
50年代初證明了重正化的方式，也適用于強(qiáng)互相作用的湯川理論。但這無助于使湯川理論成為強(qiáng)互相作用的基本理論，由于按強(qiáng)作用耦合常數(shù)的冪次展開級(jí)數(shù)是不收斂的，對(duì)于弱互相作用理論則更困難。1934年由E.費(fèi)密提出的弱作用理論中，盡管耦合常數(shù)小，可以作微擾展開，但是在最低階的估算得到挺好的結(jié)果，而且，在高階修正時(shí)出現(xiàn)的無窮大結(jié)果不能用重新定義質(zhì)量和耦合常數(shù)的方式來去除，所以它是不可重正化的。
1954年，蓋耳—曼，M.L.戈德伯格和W.梯令提出強(qiáng)互相作用的色散關(guān)系理論。在50年代直至60年代初它有很大的發(fā)展，在強(qiáng)作用過程的現(xiàn)象剖析方面，也曾得到一些好的結(jié)果，但經(jīng)過十多年的研究，總算肯定色散關(guān)系不可能是強(qiáng)作用的基本理論，主要緣由是它只包含對(duì)散射振幅的普遍要求，而缺少?gòu)?qiáng)互相作用獨(dú)有的特殊性的東西。因此它只能是一種唯象剖析手段。
順著這個(gè)方向發(fā)展的還有雷其極點(diǎn)理論等。它們?cè)谌鄙賴?yán)格證明的情況下被推廣于強(qiáng)作用的散射理論。所得到的最重要的結(jié)果是：
（1）基本粒子的載流子和質(zhì)量有顯著的規(guī)律性；
（2）隨著入射能量降低，二體散射截面在小角度處的變化具有特定的模式。因?yàn)檫@種理論的出發(fā)點(diǎn)和缺點(diǎn)與色散關(guān)系大致相同，故它們的成就和存在的問題就同色散關(guān)系大致相近。
互相作用中對(duì)稱性理論的進(jìn)展
在當(dāng)時(shí)，理論上另一重大的進(jìn)展是互相作用中的對(duì)稱性的研究（對(duì)稱性和守恒律）。假如量子場(chǎng)系統(tǒng)在一種對(duì)稱變換下保持不變，則將對(duì)應(yīng)著一種守恒量，比如在時(shí)空平移下不變，對(duì)應(yīng)的守恒量就是能量和動(dòng)量。在50年代早期，普遍覺得在各類互相作用中，都有著空間反射變換p、電荷共軛變換C和時(shí)間反演變換T的不變性，與此相對(duì)應(yīng)，宇稱和C宇稱應(yīng)當(dāng)是守恒的。不過，這些觀點(diǎn)，不僅1955年由泡利在很通常的前提下，從理論上證明了CPT聯(lián)合變換下量子場(chǎng)論的不變性以外，其他是沒有從實(shí)驗(yàn)上或理論上被嚴(yán)格證明過的。
1955年，經(jīng)過縝密地對(duì)奇特粒子θ介子和θ介子的實(shí)驗(yàn)剖析發(fā)覺了θ-θ之謎。1956年，李政道和楊振寧了解到，在弱作用中宇稱守恒事實(shí)上并沒有得到過實(shí)驗(yàn)上的否認(rèn)。她們提出，在弱作用中宇稱是不守恒的，也不存在θ-θ之謎。1957年，吳健雄小組在極化原子核60Co的β衰變的實(shí)驗(yàn)中，否認(rèn)了宇稱不守恒。隨即不久，宇稱不守恒在其他的弱作用過程的實(shí)驗(yàn)中也得到了否認(rèn)。這種實(shí)驗(yàn)同時(shí)也否認(rèn)了在弱作用中C宇稱的不守恒。
1964年，J.W.克洛寧等人在長(zhǎng)壽命K
介子的衰變實(shí)驗(yàn)中，發(fā)覺有2π終態(tài)的衰變，因而實(shí)驗(yàn)又否認(rèn)了雖然單獨(dú)的空間反射p和單獨(dú)的電荷共軛變換C的不變性在弱作用中遭到破壞，而且它們的聯(lián)合變換Cp的不變性也受到破壞。隨即認(rèn)識(shí)到，這個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)上也否認(rèn)了在弱作用中時(shí)間反演變換的不變性的破壞。
在弱作用中，與宇稱不守恒的程度很大相反，Cp不守恒的程度是極為微弱的，其根本緣由至今尚沒有足夠的了解。
發(fā)覺大量新粒子，因而使基本粒子的基本性遭到猛烈的沖擊；確立了各類對(duì)稱性在弱作用中的破壞和成功地提出了強(qiáng)子分類的SU(3)對(duì)稱性;確定了量子電動(dòng)熱學(xué)作為微觀領(lǐng)域中電磁互相作用的基本理論，但強(qiáng)作用和弱作用尚缺少基本的理論，這就是在這個(gè)階段終了時(shí)粒子化學(xué)學(xué)發(fā)展的概況。
第三階段(1964～)
這個(gè)階段的開始以提出強(qiáng)子由夸克組成的假說為標(biāo)志（見強(qiáng)子結(jié)構(gòu)）。
并非所有的基本粒子都是"基本"的看法，最早是在1949年由費(fèi)密和楊振寧提出的。她們覺得，π介子不是基本的，基本的是核子，而π介子只是由核子和反核子構(gòu)成的結(jié)合態(tài)。1955年，布吉昌一擴(kuò)展了費(fèi)密和楊振寧的模型提出了強(qiáng)子是由核子、Λ超子和它們的反粒子構(gòu)成的SU(3)模型。布吉的模型可以解釋介子的分類，但解釋重子的分類有著很大的困難。
夸克假說的提出
1961年，在實(shí)驗(yàn)上發(fā)覺了不少共振態(tài)。1964年，已發(fā)覺的基本粒子（包括共振態(tài)）的種類降低到上百種，因此促使蓋耳－曼和G.茲韋克提出，形成SU(3)對(duì)稱性的基礎(chǔ)就是構(gòu)成所有強(qiáng)子的構(gòu)造單元，它們一共有三種，并命名為夸克(quark)。
60年代以來，在宇宙線中、加速器上以及在巖石中，都進(jìn)行了對(duì)夸克的實(shí)驗(yàn)尋找，但迄今還沒有被確證為成功的報(bào)導(dǎo)。因?yàn)榇罅康膶?shí)驗(yàn)沒有找到自由夸克，目前理論上流行的想法是須要作無窮大的功能夠把兩個(gè)夸克完全分開。因而夸克不能以自由的狀態(tài)出現(xiàn)，這些性質(zhì)，稱作夸克軟禁。不過這僅僅是在實(shí)驗(yàn)上及理論上仍未得到完全否認(rèn)的假說。
強(qiáng)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)
在60年代和70年代，有更多的能量更高、性能更好的加速器建成。其實(shí)在這種加速器上沒有找到夸克。但卻得到了間接的，并且更有力地說明夸克存在的證據(jù)。
強(qiáng)子具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的征兆，最早是在60年代中由電子在核子上的散射顯示下來的。1969年開始用高能量的電子作為探針來研究質(zhì)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)覺質(zhì)子內(nèi)部有著幾乎是自由的條狀的結(jié)構(gòu)。類似的實(shí)驗(yàn)后來也在中子上進(jìn)行，得到了相同的推論。后來又用高能量的中微子作為探針來研究質(zhì)子和中子結(jié)構(gòu)。依據(jù)對(duì)散射截面的剖析，也可以得到核子里存在近似自由的、質(zhì)量不大的條狀物的推論（見深度非彈性散射）。
這種片狀結(jié)構(gòu)，可以覺得是夸克存在的證據(jù)。它們的電荷，可以由正負(fù)電子湮滅為強(qiáng)子的總截面加以驗(yàn)證。由正負(fù)電子湮滅為強(qiáng)子的過程，同正負(fù)電子湮滅成一對(duì)μ+μ-子的過程相近，從理論上曉得，在高能下，這兩個(gè)過程的總截面σ（e+e-→強(qiáng)子）和σ（e+e-→μ+μ-）的比值R和夸克的電荷ei有關(guān)：
，i標(biāo)志夸克的類型。70年代初的r實(shí)驗(yàn)值和理論上的夸克電荷值基本上能滿足這個(gè)關(guān)系式，因而給與了夸克模型以很大的支持。
第四種和第五種夸克
最初，在蓋耳—曼等提出的假定中，夸克只有u、d、s三種，由此可以得到當(dāng)時(shí)及其后發(fā)覺的所有粒子的一個(gè)令人滿意的分類。1974年，丁肇中及B.里希特等分別在質(zhì)子加速器和正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)覺了一種新粒子J（或叫做ψ）;它的質(zhì)量很大，而壽命卻比大部份共振態(tài)小一萬倍，這必須解釋為它是由一個(gè)新的夸克c和它的反粒子婔所構(gòu)成。這些新的夸克c又稱粲夸克，具有一種新的量子數(shù)──粲數(shù)C，它的電荷是
。這第四種夸克及粲數(shù)的存在，不久便因一系列的新粒子ψ′、ψ″、D、F、ηc等的發(fā)覺而得到進(jìn)一步的否認(rèn)。同時(shí)，在更高能量的實(shí)驗(yàn)中，前面提及的r值也降低了，這也說明了在足夠高的能量下第四種夸克開始對(duì)R做出貢獻(xiàn)。
1977年，L.M.萊德曼等發(fā)覺了另外一個(gè)奇特的新粒子墝，它的性質(zhì)也只能以它是由另一種新的夸克b及其反粒子姼所構(gòu)成來解釋。這第五種夸克的存在，近些年由新粒子墝'、墝″等的發(fā)覺而得到更多的證據(jù)?，F(xiàn)今稱第五種夸克b為底夸克，它的電荷是
，帶有一種新的量子數(shù)──底數(shù)B。在目前才能達(dá)到的最高能量的實(shí)驗(yàn)中，r值的進(jìn)一步降低，說明b夸克也開始對(duì)r值做出貢獻(xiàn)。
輕子的新發(fā)覺
與強(qiáng)子的數(shù)量大幅降低的情況相反，自從1962年借助小型火花室，在實(shí)驗(yàn)上否認(rèn)了兩類中微子分成Ⅴe和Ⅴμ以后，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)已知的輕子就只有四種：(e，Ⅴe)和(μ，Ⅴμ)，然而到了1975年情況有了改變，這一年M.佩爾等在e+e-對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中發(fā)覺了一個(gè)新的輕子θ，它帶正電或帶負(fù)電，衰弄成μ子或電子和兩個(gè)中微子，它的質(zhì)量很大，達(dá)質(zhì)子的兩倍，所以又叫重輕子。與它相應(yīng)，普遍相信應(yīng)有另一種中微子Ⅴτ存在，而且仍未得到實(shí)驗(yàn)上的否認(rèn)。
至今仍未發(fā)覺輕子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。μ子在各個(gè)方面都同電子相同，相差只在于質(zhì)量，這是一個(gè)仍然使化學(xué)學(xué)家困擾的問題──所謂代的問題。θ的發(fā)覺使輕子降低到三代：(e，Ⅴe)，(μ，Ⅴμ)，(θ，Ⅴτ)。構(gòu)成不同代的輕子的緣由是目前粒子化學(xué)研究的中心課題之一。一種嘗試是把輕子和夸克置于同一層次上考慮（表5、表6），并考慮它們是復(fù)合粒子，是由更深一層次的粒子統(tǒng)一地構(gòu)成的。似乎因?yàn)閷?shí)驗(yàn)上的證據(jù)不足，這些考慮目前尚缺少可靠的基礎(chǔ)。但不少化學(xué)學(xué)家對(duì)中微子Ⅴτ的存在并不懷疑，這些對(duì)稱性強(qiáng)烈地意味著一種新的夸克──第6種夸克t──的存在，它應(yīng)該帶有
的電荷和一種新的量子數(shù)──頂數(shù)T。目前在實(shí)驗(yàn)上已得到第6種夸克存在的征兆。
夸克理論提出不久，就有人認(rèn)識(shí)到強(qiáng)子的強(qiáng)互相作用和弱互相作用的研究應(yīng)構(gòu)建在夸克的基礎(chǔ)上，同時(shí)還要充分考慮強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和各類過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，能夠正確地解釋強(qiáng)子的壽命、寬度、形狀因子、截面等動(dòng)態(tài)性質(zhì)。1965年，中國(guó)發(fā)展的強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的層子模型，就是這個(gè)方向的首批研究之一。層子的命名，是為了指出物質(zhì)結(jié)構(gòu)的無限層次而做出的。在比強(qiáng)子更深一層次上的層子，就是夸克。近20年來，粒子化學(xué)實(shí)驗(yàn)和理論發(fā)展的主流，仍然順著這個(gè)方向，在弱作用方面，已有了突破性的進(jìn)展，在強(qiáng)作用方面，也有重大的進(jìn)展（見強(qiáng)子結(jié)構(gòu)）。
電弱統(tǒng)一理論的構(gòu)建
最早的弱互相作用理論，是費(fèi)密為了解釋中子衰變現(xiàn)象在1934年提出來的。弱作用宇稱不守恒的發(fā)覺，給弱作用理論的研究帶來很大的動(dòng)力。此后不久便確立了描述弱作用的流在洛倫茲變換下應(yīng)該具有V-A的方式（V是矢量流，A是軸矢量流），并且適用于所有的弱作用過程，被稱為普適費(fèi)密型弱互相作用理論。
雖然在最低階的微擾論估算中，普適費(fèi)密型弱互相作用理論可以給出同實(shí)驗(yàn)相符合的結(jié)果，但是高階的估算中出現(xiàn)的無窮大，卻難以用重正化的方式去除，這是費(fèi)密弱作用理論的根本困難。
1961年，S.L.格拉肖提出電磁互相作用和弱互相作用的統(tǒng)一理論。這個(gè)理論的基礎(chǔ)，是楊振寧和R.L.密耳斯在1954年提出的非阿貝耳規(guī)范場(chǎng)論。格拉肖提出，電磁互相作用和弱互相作用，具有一種特殊的對(duì)稱性──SU(2)×U(1)對(duì)稱性。其中U(1)對(duì)稱性是電磁互相作用所具有的，它的阿貝耳規(guī)范場(chǎng)粒子──光子是傳遞電磁作用的粒子，這是已為人們了解的；而SU(2)對(duì)稱性則是格拉肖提出的，弱互相作用應(yīng)具有的對(duì)稱性，根據(jù)楊振寧和密耳斯的理論，它的非阿貝耳規(guī)范場(chǎng)粒子有三種：W+、W-和Z0，格拉肖覺得它們是傳遞弱作用的粒子。在這個(gè)理論中，兩種互相作用是統(tǒng)一的，兩種耦合常數(shù)有著確定的關(guān)系。并且在這個(gè)理論里，W±和Z0粒子是否具有靜止質(zhì)量、理論上怎么重正化等問題，沒有得到解答。
1967～1968年，在SU(2)×U(1)定域?qū)ΨQ性的自發(fā)破缺的基礎(chǔ)上，S.溫伯格、A.薩拉姆闡述了作為規(guī)范場(chǎng)粒子的W±，Z0是可以有靜止質(zhì)量的，還算出這種靜止質(zhì)量同弱作用耦合常數(shù)以及電磁作用耦合常數(shù)的關(guān)系。這個(gè)理論中很重要的一點(diǎn)是預(yù)言弱中性流的存在，而當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)上并沒有觀察到弱中性流的現(xiàn)象。因?yàn)闆]有實(shí)驗(yàn)的支持，所以當(dāng)時(shí)這個(gè)模型并未造成人們的重視。1973年，澳洲費(fèi)密實(shí)驗(yàn)室和法國(guó)核子中心在實(shí)驗(yàn)上陸續(xù)發(fā)覺了弱中性流，以后，人們才開始對(duì)此模型注重上去。在1983年，С.魯比亞實(shí)驗(yàn)組等在的高能質(zhì)子—反質(zhì)子對(duì)撞的實(shí)驗(yàn)中發(fā)覺的W±和Z0規(guī)范粒子，質(zhì)量(mw≈80GeV，mZ≈90GeV)及特點(diǎn)同理論下期待的完全相符，這給與電弱統(tǒng)一理論以極大的支持，進(jìn)而使它有可能成為弱互相作用的基本理論，其實(shí)，這還有待于實(shí)驗(yàn)上對(duì)一系列的干涉現(xiàn)象的檢驗(yàn)和對(duì)黑格斯粒子（見黑格斯機(jī)制）的發(fā)覺和性質(zhì)的澄清。
強(qiáng)互相作用研究的進(jìn)展
60年代初，SU(3)對(duì)稱性在強(qiáng)子分類上取得了成功，在此基礎(chǔ)上形成了強(qiáng)作用的流代數(shù)理論。這個(gè)理論把強(qiáng)作用的對(duì)稱性和色散關(guān)系理論所沿襲的解析性討論結(jié)合上去，給出了量子場(chǎng)論中出現(xiàn)的強(qiáng)子流算符所滿足的代數(shù)關(guān)系，并由此得到了一些耦合常數(shù)之間、各種過程之間的關(guān)系及反常磁矩等化學(xué)量，盡管這種結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合，但流代數(shù)并沒有給強(qiáng)作用的研究帶來突破性的進(jìn)展。
到了60年代末、70年代初，高能散射實(shí)驗(yàn)顯示出強(qiáng)子的兩個(gè)最明顯的特點(diǎn)：
（1）強(qiáng)子內(nèi)部片狀結(jié)構(gòu)的存在；
（2）這種片狀結(jié)構(gòu)在很小的尺度中互相作用很微弱，有如自由粒子（漸近自由現(xiàn)象）。這種特點(diǎn)使人們認(rèn)識(shí)到，研究強(qiáng)互相作用理論必須把內(nèi)部結(jié)構(gòu)考慮在內(nèi)。
1973年，因?yàn)榉前⒇惗ㄓ蛞?guī)范場(chǎng)理論的進(jìn)展，G.霍夫特、D.J.格羅斯等人發(fā)展了強(qiáng)互相作用的量子色動(dòng)力學(xué)理論。與量子電動(dòng)熱學(xué)一樣，量子色動(dòng)力學(xué)也是一種定域規(guī)范理論（表6）。在這個(gè)理論中，嚴(yán)格的對(duì)稱性是SU(3)對(duì)稱性，夸克之間的強(qiáng)互相作用則是因?yàn)榻粨Q膠子而形成的。膠子是SU(3)定域規(guī)范粒子，但是同光子一樣，它并沒有靜止質(zhì)量，而且因?yàn)楣庾記]有電荷，而膠子卻帶有電荷，所以電磁互相作用沒有漸近自由性質(zhì)，而強(qiáng)互相作用卻具有著漸近自由的性質(zhì)。
在小距離范圍(揥10-14cm)中，因?yàn)閺?qiáng)作用耦合常數(shù)很微小，量子色動(dòng)力學(xué)是可以做微擾論展開的。雖然目前對(duì)夸克、膠子的拘禁性質(zhì)仍未弄清，不得不引進(jìn)例如復(fù)合、碎裂等唯象概念，但也能較好地解釋一些高能實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括r值隨能量的變化。輕子—膠子深度非彈性散射的結(jié)構(gòu)函數(shù)對(duì)標(biāo)度無關(guān)性的偏離，高能下的噴注現(xiàn)象等。但在大距離范圍中(＞10-14cm)，量子色動(dòng)力學(xué)不僅不能用微擾論展開的困難外，還另有一些根本性問題，這種都有待解決及澄清。
粒子化學(xué)的前景
目前，粒子化學(xué)早已深入到比強(qiáng)子更深一層次的物質(zhì)的性質(zhì)的研究。更高能量加速器(1TeV，即的質(zhì)子加速器及2×的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī))的建造，無疑將為粒子化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究提供更有力的手段，有利于形成更多的新粒子，以弄清夸克的種類和輕子的種類，它們的性質(zhì)，以及它們的可能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
強(qiáng)電互相作用統(tǒng)一理論目前取得的成功，非常是弱規(guī)范粒子W+、W-和Z0的發(fā)覺，強(qiáng)化了人們對(duì)定域規(guī)范場(chǎng)理論作為互相作用的基本理論的信念，也為今后以高能輕子作為探針闡述強(qiáng)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、夸克及膠子的性質(zhì)以及強(qiáng)作用的性質(zhì)提供了可靠的剖析手段。但黑格斯粒子是否存在的問題尚有待于繼續(xù)澄清。
夸克之間強(qiáng)互相作用的一些根本性的重大問題，如拘禁、碎裂等，目前還沒有解決，在今后一個(gè)時(shí)期，強(qiáng)互相作用將是粒子化學(xué)研究的一個(gè)重點(diǎn)。
把電磁作用、弱作用和強(qiáng)作用統(tǒng)一上去的大統(tǒng)一理論，近些年來造成相當(dāng)大的注意。但即便在最簡(jiǎn)單的模型中，也包含近20個(gè)無量綱的參數(shù)。這表明這些理論還包含著大量的現(xiàn)象性的成份，只是一個(gè)非常初步的嘗試。它還要走相當(dāng)長(zhǎng)的一段路，就能成為一個(gè)有效的理論。
另外，從發(fā)展趨勢(shì)來看粒子化學(xué)學(xué)的進(jìn)展肯定會(huì)在宇宙演變的研究中起推動(dòng)作用，這個(gè)方面的研究也將會(huì)是一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域。
很重要的是，數(shù)學(xué)學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，粒子化學(xué)學(xué)也不例外。為此，新的粒子加速原理和新的偵測(cè)手段的出現(xiàn)，將是意義深遠(yuǎn)的。