看了这篇文章感触很深的说说（看完此文你就会明白）

导读：本章摘自独立学者灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》。此文旨在帮助大家认识我们身处的世界。世界是确定的，但世界的确定性不是我们能把我的。看完此文，你就会明白，为何要支持我国建造大型粒子加速器了。就是为了进行深度非弹性散射实验。为什么发现希格斯玻色子的不是中国，而是欧洲。大家不要喷，是因为中国目前还没有造出发现希格斯粒子的加速碰撞器。目前欧洲最先进。

深度非弹性散射也称深度非弹性碰撞，指在质心系中某一入射粒子在碰撞后其能量有较大幅度的损失的情况。

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例如，将高能电子轰击到质子上，除了出现有电子对质子的弹性碰撞过程外，更多的是出现多个π介子的情形,这时在质心系的电子在碰撞后必定有大量的能量损失，即这些能量转移成π介子的能量,因而就称之为电子对质子的深度非弹性散射或深度非弹性碰撞。

从标题，我们其实可以看出。微观粒子的碰撞过程分弹性碰撞和非弹性碰撞两种。弹性碰撞（又称弹性散射）过程中，粒子之间只有动能的交换，而不发生粒子的种类、数目和内部运动状态的改变。

而非弹性碰撞（又称非弹性散射）过程中，或者发生粒子内部运动状态的改变，或者发生粒子种类和数目的改变，这时粒子之间转换的能量不仅是动能，还有与粒子的跃迁或粒子的产生和湮没相关的能量。

实验上研究深度非弹性散射时，可以测量所有的次级粒子的动量和能量。这时便称为遍举的非弹性散射过程。也可以只测量其中一个粒子或两个或几个粒子的动量和能量，这时便称为单举或双举或多举的非弹性散射或非弹性反应过程。

研究单举的深度非弹性散射有一个重要的简化。从实验的角度说，测量这种单举的反应过程时，只测量两个独立的物理量,一个是末态电子的能量,一个是末态电子的飞行方向。

在弹性散射中，这两个物理量在实验室系不是独立的,一个量给定了,另一个量也就确定了。实际上，在测量中所测到的能量和角度这种相关性说明所观察到的确是弹性散射。

在非弹性散射过程中，这两个物理量是相互独立的，也就是在某一方向上将观察到不同能量的电子，同一能量的电子也可以在不同的方位角上测量到。既然在实验上存在两个相互独立的观察量，那么在理论上就可以用两个相对论协变的独立的物理量表征单举的深度非弹性散射过程。

实验上研究单举的、双举的以及带有极化的深度非弹性散射过程是很重要的。正是在大量的这样的实验研究中,美国科学家J.D.布约肯等人建立了部分子模型。而量子色动力学也在这个模型的基础上发展了起来。

在这里要给大家强调，深度非弹性散射实验，一般都要借助高能量加速器来完成。目前最先进是欧洲的强子对撞机。希格斯玻色子就是用它来发现的。

简单给大家介绍一下，关于质子碰撞研究的相关历史。

在60年代，弗里德曼和肯德尔是麻省理工学院的物理学教授，另一泰勒是斯坦福大学直线加速器中心（SLAC）的物理学教授。他们三人都是SLAC-MIT研究小组的关键人物。

【弗里德曼】

在他们主持下进行的“SLAC-MIT实验”取得了有关核子（质子和中子）内部结构的重要信息，为进一步研究物质最深层结构铺平了道路。

著名物理学家汉森和斯坦福大学的同事们发明了速调管微波振荡器后，于1947年创制了第一台电子直线加速器。1952年第三台电子直线加速器在斯坦福大学建成，命名为 Mark Ⅲ，可使电子加速到1 GeV。霍夫斯塔特就是用这台设备进行电子-质子散射实验，对核子结构作了奠基性研究，由此判定质子是非类点粒子，直径不小于10的-13次方cm。在他的倡导下，斯坦福大学从 1962年起，兴建能量大于20 GeV的电子直线加速器。

1967年，大型电子直线加速器建成并达到设计能量。作为试运行开始了一系列电子质子散射实验。实验结果证明性能良好，不但电子束入射能量比一般大得多，而且电子束强度也大得多。在经过论证的十九项实验方案中，有三项是SLAC、MIT和加州理工学院（Caltech）联合提出的。这三项的内容是：电子质子弹性散射、正电子质子弹性散射、电子质子非弹性散射。

第一轮实验结果很平常，只不过是进一步证实了已有结论。Caltech成员感到工作过于单调，决定退出联合小组。SLAC和MIT成员继续实验，并逐步加大电子束能量，进行电子质子非弹性散射实验，测到了三个峰值，这三个峰相当于质子的共振态。

再进一步把能量加大到几GeV量级，进入所谓深度非弹性区域。这是从未有人探索过的区域。

为什么叫深度非弹性呢？因为这时电子的能量是如此之高，竟可以深入质子内部，甚至把质子打碎。这时非弹性散射公式

e＋p→e＋X

其中的X可以是一系列强子。

由于质子分裂成碎片，要吸收更多的能量，散射电子的能量要比平常低得多。然而，出乎实验者预料，当进入深度非弹性区域时，电子损失了很多能量后，比起能量损失较小时，以更大的几率出现在大角度上。换句话说，就是电子质子深度非弹性散射的大角度散射截面，比弹性散射的大角度散射大得多。

起初他们还以为是结果不正确，或者是解释有错误，还可能是因为出现了系统误差，误差的来源也许是所谓的辐射修正，入射电子或散射电子以光的形式辐射掉了相当大的能量。

于是他们对辐射修正作了仔细研究。结果证明，辐射修正并不重要。他们把电子质子深度非弹性散射和电子质子弹性散射及电子电子弹性散射分别进行比较，发现随着散射角的增大，电子质子弹性散射截面急剧下降，而深度非弹性散射截面与电子电子弹性散射截面之比却保持不大的变化。这一事实表明，电子以极大的能量深入到质子内部时，遭遇到的不是“软”的质子靶，而是和电子类似的点状“硬”核。然而，当时科学家们并没有领悟到这一点，而是感到迷惑不解。

【卢瑟福】

在发表第一批实验结果时，他们非常谨慎。大家知道，60年前盖革和马斯登发现α粒子大角度散射时也曾出现过类似情况。如果不是卢瑟福的及时指导和理论分析，也许会错失发现原子核的良机。

SLAC-MIT小组在60年代末的情况虽然比较复杂，但也有类似之处。如果不是有理论家，特别是布约肯（J.D.Bjorken）和费因曼的及时配合，恐怕一时很难对实验结果作出正确解释。时隔半个多世纪的两件有历史意义的重大实验发现，都为我们提供了理论与实验相辅相成的典型例证。

该实验充分证明，质子不是点粒子，而是符合粒子。现在我们知道质子是由夸克构成的。具体说是由两个上夸克和一个下夸克通过胶子在强相互作用下构成。原子核中质子数目决定其化学性质和它属于何种化学元素。

1932年查德威克发现中子，是继1911年卢瑟福论证原子有核之后的又一重大进展。从此关于原子核结构的知识与日俱增。海森伯在发现中子的基础上提出了原子核由质子和中子构成的主张，于是中子、质子和电子被认为是物质的三种基本成分。

然而不久就认识到，质子和中子是比电子复杂的粒子。因为核子具有反常磁矩，会产生出人意料的强磁场，这只能解释成核子内部有电流。50年代，用电子散射方法研究核子结构，对核子内部电荷分布和磁性分布进行了测量。与此同时，一大批强子陆续发现，它们的性质与核子类似。于是促使人们进行有关强子分类的理论研究。

经过多次尝试终于成功地解决了强子之谜，其中主要是通过盖尔曼的工作。他在1961年提出用SU（3）对称性对强子分类的“八重法”。

1964年，他预言的重子Ω-被实验证实，进一步促使他提出假设，即作为SU（3）群的物理基础的所谓三重态，实际上是三种不同的基本粒子。盖尔曼统称之为夸克，并且认为，夸克是自然界中更基本的物质组成单元，所有已知的强子都是由这三种夸克及其反粒子组成。

由于夸克模型能够成功地解释许多事实，把极为复杂的事情变得非常简单，立即得到人们的普遍重视，于是掀起了一场寻找夸克的热潮。

人们用海水和陨石作实验；探测宇宙射线；运用各种高能加速器，希望能找到夸克存在的证据。然而，在1969年以前，什么证据也没有找到。这时，大多数人已经不抱希望，认为找不到夸克存在的证据，只能解释为所谓的夸克只不过是某种数学符号，物理方程中的一个数学量而已。

但研究并没有停止，费因曼和布约肯则是从另外一些角度研究这个问题。早在60年代初，费因曼就曾用直观图像来描述高能强子之间的相互作用，认为这种相互作用是通过交换强子内部的组成部分来完成的，他把这些组成部分称为部分子。

布约肯是SLAC理论组的成员。他曾运用流代数研究中微子散射。当SLAC-MIT实验得到反常结果时，他转而研究电子质子深度非弹性散射，运用流代数求和规则对实验结果作了分析，并提出标度无关性对实验结果作出解释。流代数是很抽象的数学方法，他的工作一直未能得到人们的理解。

1968年8月，正当人们对标度无关性的物理意义疑惑不解之时，费因曼来到SLAC实验小组，人们向他展示深度非弹性的反常结果，并告诉他布约肯用标度无关性作出的解释。费因曼很感兴趣，只用了一个晚上就解决了这个难题。

他把质子看成是部分子（类点粒子）的复合体，把电子质子深度非弹性散射看成是电子与部分子发生弹性散射。经过计算，证明布约肯的标度无关函数正是部分子的动量与质子动量之比。就这样，费因曼从深度非弹性散射和标度无关性找到了部分子模型的重要证据。

为表彰弗里德曼·肯德尔，理查德·泰勒，亨利·肯德尔在“核子的深度非弹性散射的研究”中做出的贡献，1900年的诺贝尔奖颁发给他们三人。

费因曼的部分子模型和盖尔曼的夸克模型有异曲同工之妙，他们从不同角度用不同方法达到了相同结论。人们很快就明白了，原来部分子和夸克是一回事。

电子质子深度非弹性散射实验还表明，盖尔曼在1962年提出的电中性粒子“胶子”有可能存在。1971年韦斯柯夫（V.F.Weiskopf）和库提（N.Kurti）提出，正是这种“胶子”在夸克间传递强相互作用，才使夸克组成强子。

接着，1973年创立了量子色动力学，1979年丁肇中小组首先找到了支持胶子存在的证据。由SLAC-MIT实验引起的一系列新进展，使物理学进入了一个新的时代，使粒子物理学进入了“夸克-胶子”时代。

【盖尔曼】

物理学家盖尔曼，也因为提出了质子和中子是由三个夸克组成的，获得了1969年诺贝尔物理学奖。

看了这个关于质子内部结构探索的介绍，相信大家对深度非弹性散射实验有了深刻的认识了。

这对于我们来说，可能不是一个有趣的实验，会相当枯燥，分析大量数据。但一定要有人去做，才能发现更多奥秘。

你也许不会从事这方面的研究了，但你知道了这个事情，你可以告诉你的儿子，女儿，说物质是怎么构成的，说人们用什么实验发现它的。你的儿子和女儿有可能成为将来的科学家。那么你也是做了很大的贡献的。

这就是我们为什么要知道一些东西的原因。犹太人为什么成功，就是他们的父母都告诉他们的孩子，读书是高贵的事情，书本是我留给你的宝藏。

摘自独立学者灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》

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