[拼音]：lizi
[外文]：
又稱高能化學學或基本粒子化學學，數學學的一個分支學科。它研究比原子核更深層次的微觀世界中物質的結構性質和在很高的能量下，這種物質互相轉化的現象，以及形成這種現象的緣由和規律。它是一門基礎學科，是當代數學學發展的前沿之一。粒子化學學是以實驗為基礎，而又基于實驗和理論密切結合發展的，它大致經歷了三個階段。
第一階段(1897～1937)
在這個階段里，兩千多年來人們關于物質是由最小構成單元──原子構成的思想，由哲學的推理，弄成了科學的現實，并且在這個階段終了時，產生了現代的基本粒子的思想。
原子的概念，是由2400年前的法國哲學家德謨克利特和中國戰國時代的哲學家惠施提出來的。惠施說:“至小無內量子和粒子物理學何以解釋一切，謂之小一，”意思是最小的物質是不可分的量子和粒子物理學何以解釋一切，叫做最小的單元。這個最小的單元，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多年間原子這個概念，只逗留在哲學思想的范疇。
1897年，J.J.湯姆孫在實驗上發覺了電子，1911年，E.盧瑟福由α粒子大角度彈性散射又否認了帶正電的原子核的存在，這樣，就從實驗上證明了原子的存在和原子是由電子和原子核構成的。
1932年，J.查德威克在用α粒子轟擊核的實驗中發覺了中子。隨后人們認識到原子核是由質子和中子構成的，因而得到了一個所有的物質都是由基本的結構單元──質子、中子和電子構成的統一的世界圖象。
就在這個時侯開始產生了現代的基本粒子概念。1905年，A.愛因斯坦提出電磁場的基本結構單元是光子，1922年被A.H.康普頓等人的實驗所否認，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量的粒子──中微子（嚴格地講是反中微子，中微子的存在是1956年由F.萊因斯和C.L.科恩在實驗上否認的）。
相對論性量子熱學預言，電子、質子、中子、中微子都有質量和它們相同的反粒子。第一個反粒子──正電子（電子的反粒子）是1932年C.D.安德森借助置于強磁場中的云室記錄宇宙線粒午時發覺的，50年代中期之后相繼發覺了其他粒子的反粒子。
隨著原子核化學學的發展，發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──強互相作用和弱互相作用。標志四種互相作用的硬度的無量綱互相作用（耦合）常數及由它們引發的過程速度（反應率）見表1。
第二階段(1937～1964)
這個階段的開始以1937年在宇宙線中發覺μ子為標志。
μ子的發覺
1934年，湯川秀樹為解釋核子之間的強作用近程力，基于同電磁作用的對比，提出這些力是由質子和（或）中子之間交換一種具有質量（電子質量的200～300倍）的基本粒子──介子引發的。1936年，C.D.安德森和S.H.尼德邁耶在實驗上確認了一種新粒子，其質量是電子質量的207倍，這就是后來被稱為μ子的粒子。μ子是不穩定的粒子，它衰弄成電子、一個中微子和一個反中微子，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的。1938年，N.J.凱默基于實驗上發覺的核力的電荷無關性的事實，發展了稍早些時侯出現的同位旋的概念，完善了核力的SS(2)對稱性理論。這個理論有兩個重要的結果，一是不僅帶正負電的介子之外，還應該有不帶電的中性介子，三種介子的質量應該相同；二是強互相作用的粒子可按同位旋分成一組組的多重態。
h介子和奇特粒子的發覺
1947年，M.孔韋爾西等人用計數器統計方式發覺μ子并沒有強作用，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覺了真正具有強互相作用的介子，其后，在加速器上也否認了這些介子的存在。它們的質量約是電子質量的270倍，帶有正電荷或負電荷，被稱為π±介子。1950年發覺了不帶電的π0介子。μ子后來則和電子以及中微子歸于一類，被統也稱輕子。
自此之后人類認識到的基本粒子的數量越來越多。就在1947年，G.羅徹斯特和C.巴特勒在宇宙線實驗中發覺了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覺的開始。因為它們奇特的性質，一種新的量子數──奇特數的概念被引進到粒子化學中。在這種奇特粒子中，有質量比質子輕的奇特介子K±、K0和
；有質量比質子重的各類超子，包括Λ0、Σ±、Σ0、Ξ0和Ξ-等。這種新發覺的粒子，都是不穩定的粒子，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，在當時的情況下，只有依靠從太空飛來的高能量宇宙線能夠形成。
這種發覺了的基本粒子，加上理論上預言其存在，但仍未得到實驗否認的引力場量子──引力子，按互相作用的性質，可分成引力子、光子、輕子和強子四類（表2）。
新粒子大發覺和強作用SU(3)對稱性的構建
為了克服宇宙線流強太弱這個限制，從50年代初開始建造能量越來越高、流強越來越大的粒子加速器。實驗上也陸續出現了新的強有力的偵測手段如小型氣泡室、火花室、多絲反比室等，開始了新粒子的大發覺時期。到了60年代頭幾年，實驗上觀察到的基本粒子的數量早已降低到比當初元素周期表出現時發覺的物理元素的數量還要多，但是發覺的勢頭還有增無已。1961年，由M.蓋耳－曼及Y.奈曼提出的，用強互相作用的SU(3)對稱性來對強子進行分類的“八重法”。八重法分類不但給出了當時早已發覺的強子在其中的位置，還確切地預言了一些新的粒子，如1964年用氣泡室實驗發覺的Ω-粒子。八重法挺好地說明粒子的載流子、宇稱、電荷、奇異數以及質量等靜態性質的規律性。
在此階段中，否認了不單電子，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）。其中第一個帶電的反超子廟-是由中國的王淦昌等在1959年發覺的。據悉，還發覺了為數諸多的壽命極短，經強作用衰變的粒子──共振態。
基本粒子大量發覺，使人們懷疑這種基本粒子的基本性。基本粒子的概念，面臨一個突變。這就是這個階段終了時粒子化學在實驗上的狀況。
這個階段理論上最重要的進展是量子場論和重正化理論的構建，以及互相作用中對稱性質的研究。
量子場論和重正化理論的發展
上一階段對微觀世界理智認識的最大進展是量子熱學的構建。經過一代化學學家的努力，量子熱學能挺好地解釋原子結構、原子波譜的規律性、化學元素的性質、光的吸收及幅射等等現象，非常是當它同狹義相對論結合而構建相對論性量子熱學之后，它早已成為微觀世界在原子、分子層次上的一個基本理論。并且，量子熱學還有以下幾個方面的不足：
（1）它不能反映場的粒子性；
（2）它不能描述粒子的形成和湮滅的過程；
（3）它有負能量的解，這引起化學概念上的困難。量子場論是由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論量子熱學的基礎上，通過場的量子化的途徑發展下來的，它挺好地解決了這三個問題。
在量子場論領域中最早發展上去的是量子電動熱學，它是把電磁場（光子場）和電子場都加以量子化，進而描述電子和光子的各類現象的一種理論。40年代里，人們對這個理論中的發散困難作了深入的剖析。因為J.S.施溫格、朝永振一郎、R.P.費因曼和F.J.戴森等人的努力，在解決這個問題上有了突破性的進展。她們發覺，假如重新定義理論中的質量和電荷，使之同實驗的觀測值相應，則量子電動熱學中的無窮大結果不再出現。這些清除無窮大結果的方式，稱作重正化理論。它不但在原則上解決了量子電動熱學中出現的發散困難，還提出了一整套按電子電荷的冪次展開的，直觀的，用圖形表示的逐級近似（微擾近似）的估算方式──費因曼圖方式，使量子電動熱學的估算有了簡單可靠的、具有相對論協變性質的基礎。P.庫什和H.M.福里1947年發覺的電子反常磁矩，和由W.E.蘭姆等發覺的氫原子的22S1/2和22P1/2基態的分裂，只有通過量子電動熱學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，量子電動熱學早已經受了許多實驗上的驗證，成為電磁互相作用的基本理論。
探求強作用的基本理論
50年代初證明了重正化的方式，也適用于強互相作用的湯川理論。但這無助于使湯川理論成為強互相作用的基本理論，由于按強作用耦合常數的冪次展開級數是不收斂的，對于弱互相作用理論則更困難。1934年由E.費密提出的弱作用理論中，盡管耦合常數小，可以作微擾展開，但是在最低階的估算得到挺好的結果，而且，在高階修正時出現的無窮大結果不能用重新定義質量和耦合常數的方式來去除，所以它是不可重正化的。
1954年，蓋耳—曼，M.L.戈德伯格和W.梯令提出強互相作用的色散關系理論。在50年代直至60年代初它有很大的發展，在強作用過程的現象剖析方面，也曾得到一些好的結果，但經過十多年的研究，總算肯定色散關系不可能是強作用的基本理論，主要緣由是它只包含對散射振幅的普遍要求，而缺少強互相作用獨有的特殊性的東西。因此它只能是一種唯象剖析手段。
順著這個方向發展的還有雷其極點理論等。它們在缺少嚴格證明的情況下被推廣于強作用的散射理論。所得到的最重要的結果是：
（1）基本粒子的載流子和質量有顯著的規律性；
（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。因為這種理論的出發點和缺點與色散關系大致相同，故它們的成就和存在的問題就同色散關系大致相近。
互相作用中對稱性理論的進展
在當時，理論上另一重大的進展是互相作用中的對稱性的研究（對稱性和守恒律）。假如量子場系統在一種對稱變換下保持不變，則將對應著一種守恒量，比如在時空平移下不變，對應的守恒量就是能量和動量。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和時間反演變換T的不變性，與此相對應，宇稱和C宇稱應當是守恒的。不過，這些觀點，不僅1955年由泡利在很通常的前提下，從理論上證明了CPT聯合變換下量子場論的不變性以外，其他是沒有從實驗上或理論上被嚴格證明過的。
1955年，經過縝密地對奇特粒子θ介子和θ介子的實驗剖析發覺了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上并沒有得到過實驗上的否認。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衰變的實驗中，否認了宇稱不守恒。隨即不久，宇稱不守恒在其他的弱作用過程的實驗中也得到了否認。這種實驗同時也否認了在弱作用中C宇稱的不守恒。
1964年，J.W.克洛寧等人在長壽命K
介子的衰變實驗中，發覺有2π終態的衰變，因而實驗又否認了雖然單獨的空間反射p和單獨的電荷共軛變換C的不變性在弱作用中遭到破壞，而且它們的聯合變換Cp的不變性也受到破壞。隨即認識到，這個實驗事實上也否認了在弱作用中時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；確立了各類對稱性在弱作用中的破壞和成功地提出了強子分類的SU(3)對稱性;確定了量子電動熱學作為微觀領域中電磁互相作用的基本理論，但強作用和弱作用尚缺少基本的理論，這就是在這個階段終了時粒子化學學發展的概況。
第三階段(1964～)
這個階段的開始以提出強子由夸克組成的假說為標志（見強子結構）。
并非所有的基本粒子都是"基本"的看法，最早是在1949年由費密和楊振寧提出的。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成的結合態。1955年，布吉昌一擴展了費密和楊振寧的模型提出了強子是由核子、Λ超子和它們的反粒子構成的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，在實驗上發覺了不少共振態。1964年，已發覺的基本粒子（包括共振態）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)對稱性的基礎就是構成所有強子的構造單元，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，都進行了對夸克的實驗尋找，但迄今還沒有被確證為成功的報導。因為大量的實驗沒有找到自由夸克，目前理論上流行的想法是須要作無窮大的功能夠把兩個夸克完全分開。因而夸克不能以自由的狀態出現，這些性質，稱作夸克軟禁。不過這僅僅是在實驗上及理論上仍未得到完全否認的假說。
強子內部結構的實驗證據
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。
強子具有內部結構的征兆，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子的內部結構，發覺質子內部有著幾乎是自由的條狀的結構。類似的實驗后來也在中子上進行，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子和中子結構。依據對散射截面的剖析，也可以得到核子里存在近似自由的、質量不大的條狀物的推論（見深度非彈性散射）。
這種片狀結構，可以覺得是夸克存在的證據。它們的電荷，可以由正負電子湮滅為強子的總截面加以驗證。由正負電子湮滅為強子的過程，同正負電子湮滅成一對μ+μ-子的過程相近，從理論上曉得，在高能下，這兩個過程的總截面σ（e+e-→強子）和σ（e+e-→μ+μ-）的比值R和夸克的電荷ei有關：
，i標志夸克的類型。70年代初的r實驗值和理論上的夸克電荷值基本上能滿足這個關系式，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，由此可以得到當時及其后發覺的所有粒子的一個令人滿意的分類。1974年，丁肇中及B.里希特等分別在質子加速器和正負電子對撞機的實驗中發覺了一種新粒子J（或叫做ψ）;它的質量很大，而壽命卻比大部份共振態小一萬倍，這必須解釋為它是由一個新的夸克c和它的反粒子婔所構成。這些新的夸克c又稱粲夸克，具有一種新的量子數──粲數C，它的電荷是
。這第四種夸克及粲數的存在，不久便因一系列的新粒子ψ′、ψ″、D、F、ηc等的發覺而得到進一步的否認。同時，在更高能量的實驗中，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R做出貢獻。
1977年，L.M.萊德曼等發覺了另外一個奇特的新粒子墝，它的性質也只能以它是由另一種新的夸克b及其反粒子姼所構成來解釋。這第五種夸克的存在，近些年由新粒子墝'、墝″等的發覺而得到更多的證據。現今稱第五種夸克b為底夸克，它的電荷是
，帶有一種新的量子數──底數B。在目前才能達到的最高能量的實驗中，r值的進一步降低，說明b夸克也開始對r值做出貢獻。
輕子的新發覺
與強子的數量大幅降低的情況相反，自從1962年借助小型火花室，在實驗上否認了兩類中微子分成Ⅴe和Ⅴμ以后，長時間內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-對撞實驗中發覺了一個新的輕子θ，它帶正電或帶負電，衰弄成μ子或電子和兩個中微子，它的質量很大，達質子的兩倍，所以又叫重輕子。與它相應，普遍相信應有另一種中微子Ⅴτ存在，而且仍未得到實驗上的否認。
至今仍未發覺輕子有內部結構的實驗證據。μ子在各個方面都同電子相同，相差只在于質量，這是一個仍然使化學學家困擾的問題──所謂代的問題。θ的發覺使輕子降低到三代：(e，Ⅴe)，(μ，Ⅴμ)，(θ，Ⅴτ)。構成不同代的輕子的緣由是目前粒子化學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），并考慮它們是復合粒子，是由更深一層次的粒子統一地構成的。似乎因為實驗上的證據不足，這些考慮目前尚缺少可靠的基礎。但不少化學學家對中微子Ⅴτ的存在并不懷疑，這些對稱性強烈地意味著一種新的夸克──第6種夸克t──的存在，它應該帶有
的電荷和一種新的量子數──頂數T。目前在實驗上已得到第6種夸克存在的征兆。
夸克理論提出不久，就有人認識到強子的強互相作用和弱互相作用的研究應構建在夸克的基礎上，同時還要充分考慮強子的結構特點和各類過程中的運動學特性，能夠正確地解釋強子的壽命、寬度、形狀因子、截面等動態性質。1965年，中國發展的強子結構的層子模型，就是這個方向的首批研究之一。層子的命名，是為了指出物質結構的無限層次而做出的。在比強子更深一層次上的層子，就是夸克。近20年來，粒子化學實驗和理論發展的主流，仍然順著這個方向，在弱作用方面，已有了突破性的進展，在強作用方面，也有重大的進展（見強子結構）。
電弱統一理論的構建
最早的弱互相作用理論，是費密為了解釋中子衰變現象在1934年提出來的。弱作用宇稱不守恒的發覺，給弱作用理論的研究帶來很大的動力。此后不久便確立了描述弱作用的流在洛倫茲變換下應該具有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，普適費密型弱互相作用理論可以給出同實驗相符合的結果，但是高階的估算中出現的無窮大，卻難以用重正化的方式去除，這是費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一理論。這個理論的基礎，是楊振寧和R.L.密耳斯在1954年提出的非阿貝耳規范場論。格拉肖提出，電磁互相作用和弱互相作用，具有一種特殊的對稱性──SU(2)×U(1)對稱性。其中U(1)對稱性是電磁互相作用所具有的，它的阿貝耳規范場粒子──光子是傳遞電磁作用的粒子，這是已為人們了解的；而SU(2)對稱性則是格拉肖提出的，弱互相作用應具有的對稱性，根據楊振寧和密耳斯的理論，它的非阿貝耳規范場粒子有三種：W+、W-和Z0，格拉肖覺得它們是傳遞弱作用的粒子。在這個理論中，兩種互相作用是統一的，兩種耦合常數有著確定的關系。并且在這個理論里，W±和Z0粒子是否具有靜止質量、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)定域對稱性的自發破缺的基礎上，S.溫伯格、A.薩拉姆闡述了作為規范場粒子的W±，Z0是可以有靜止質量的，還算出這種靜止質量同弱作用耦合常數以及電磁作用耦合常數的關系。這個理論中很重要的一點是預言弱中性流的存在，而當時實驗上并沒有觀察到弱中性流的現象。因為沒有實驗的支持，所以當時這個模型并未造成人們的重視。1973年，澳洲費密實驗室和法國核子中心在實驗上陸續發覺了弱中性流，以后，人們才開始對此模型注重上去。在1983年，С.魯比亞實驗組等在的高能質子—反質子對撞的實驗中發覺的W±和Z0規范粒子，質量(mw≈80GeV，mZ≈90GeV)及特點同理論下期待的完全相符，這給與電弱統一理論以極大的支持，進而使它有可能成為弱互相作用的基本理論，其實，這還有待于實驗上對一系列的干涉現象的檢驗和對黑格斯粒子（見黑格斯機制）的發覺和性質的澄清。
強互相作用研究的進展
60年代初，SU(3)對稱性在強子分類上取得了成功，在此基礎上形成了強作用的流代數理論。這個理論把強作用的對稱性和色散關系理論所沿襲的解析性討論結合上去，給出了量子場論中出現的強子流算符所滿足的代數關系，并由此得到了一些耦合常數之間、各種過程之間的關系及反常磁矩等化學量，盡管這種結果與實驗符合，但流代數并沒有給強作用的研究帶來突破性的進展。
到了60年代末、70年代初，高能散射實驗顯示出強子的兩個最明顯的特點：
（1）強子內部片狀結構的存在；
（2）這種片狀結構在很小的尺度中互相作用很微弱，有如自由粒子（漸近自由現象）。這種特點使人們認識到，研究強互相作用理論必須把內部結構考慮在內。
1973年，因為非阿貝耳定域規范場理論的進展，G.霍夫特、D.J.格羅斯等人發展了強互相作用的量子色動力學理論。與量子電動熱學一樣，量子色動力學也是一種定域規范理論（表6）。在這個理論中，嚴格的對稱性是SU(3)對稱性，夸克之間的強互相作用則是因為交換膠子而形成的。膠子是SU(3)定域規范粒子，但是同光子一樣，它并沒有靜止質量，而且因為光子沒有電荷，而膠子卻帶有電荷，所以電磁互相作用沒有漸近自由性質，而強互相作用卻具有著漸近自由的性質。
在小距離范圍(揥10-14cm)中，因為強作用耦合常數很微小，量子色動力學是可以做微擾論展開的。雖然目前對夸克、膠子的拘禁性質仍未弄清，不得不引進例如復合、碎裂等唯象概念，但也能較好地解釋一些高能實驗結果，包括r值隨能量的變化。輕子—膠子深度非彈性散射的結構函數對標度無關性的偏離，高能下的噴注現象等。但在大距離范圍中(＞10-14cm)，量子色動力學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。
粒子化學的前景
目前，粒子化學早已深入到比強子更深一層次的物質的性質的研究。更高能量加速器(1TeV，即的質子加速器及2×的正負電子對撞機)的建造，無疑將為粒子化學實驗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，以及它們的可能的內部結構。
強電互相作用統一理論目前取得的成功，非常是弱規范粒子W+、W-和Z0的發覺，強化了人們對定域規范場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子的內部結構、夸克及膠子的性質以及強作用的性質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澄清。
夸克之間強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，在今后一個時期，強互相作用將是粒子化學研究的一個重點。
把電磁作用、弱作用和強作用統一上去的大統一理論，近些年來造成相當大的注意。但即便在最簡單的模型中，也包含近20個無量綱的參數。這表明這些理論還包含著大量的現象性的成份，只是一個非常初步的嘗試。它還要走相當長的一段路，就能成為一個有效的理論。
另外，從發展趨勢來看粒子化學學的進展肯定會在宇宙演變的研究中起推動作用，這個方面的研究也將會是一個非常活躍的領域。
很重要的是，數學學是一門以實驗為基礎的科學，粒子化學學也不例外。為此，新的粒子加速原理和新的偵測手段的出現，將是意義深遠的。