包括电子、μ子的一类基本粒子中还具有一个新的成员：τ。它是一系列荷电重轻子中的第一个。
可以用一些标准来区别轻子（取自希腊文中“轻的粒子”）这一小类基本粒子和另外两大类亚原子核物质，在这些标准中，质量也许是次要的。例如轻子同一般轻重的强子区别主要在于前者不受强烈的核力影响，核力是使粒子聚集在原子核中的短程力。轻子和光子都不受强力的作用，光子是一种没有质量的传递电磁力的粒子，它同轻子属于同一类，然而和光子不一样，无论是轻子还是强子都可以受弱的核力作用，这是一种对应于原子核辐射衰变的更短程的力。
轻子最奇怪的性质是它的数目很少。在这里它同强子再次形成明显的对比，后者的数目近年来不断增加，其总数达到了几百种不同的粒子，它们被分成一些更小的类别。强子中最为大家熟悉的是原子核的两个主要成分：质子和中子；而最近刚加入强子类的是1974年发现的ψ或J粒子（斯坦福大学的B · 里克特和麻省理工学院的丁肇中由于独立发现了这个粒子，获得了1976年度的诺贝尔物理学奖金）。另一方面，轻子族中暂且只有四种粒子（同它相应的反粒一起）：八十多年前通过阴极射线发现的电子；四十多年前在宇宙射线中首先发现的μ子；以及两类中微子，一类对应于电子（叫电子中微子），另一类对应于μ子（叫μ中微子）。理论上很早就预言过中微子的存在，第一次记录到它是大约在二十年前。
轻子的另一种特性是最近才揭示出来的。有相当多的证据说明强子不是基本的粒子，而是由称为夸克的简单成分复合构成的。在发现ψ粒子以前，人们认为所有已知的强子都可以由三种不同的夸克（记作U“向上”，D“向下”，S“奇异”）及其反夸克以各种形式组合而成。发现ψ粒子的重要意义在于提供了一个有力的证据，证明存在着第四种，以前曾称它为“粲”的夸克。从夸克模型的观点看来，ψ粒子是由粲夸克和反粲夸克组成的强子。
没有任何证据证明轻子不是点状粒子，所以轻子看起来不像强子，而是一种真正的基本粒子，按通常的讲法，这种粒子是不可分的。在这个意义上，所有已知的粒子中，可以看作基本的是很少的：四种夸克（和它们的反夸克），四种轻子（和它们的反轻子），以及光子（它的反粒子就是自己）。这样一来，寻找轻子族中的新成员便具有一种新的意义，因为这些粒子如果存在的话，可以当作为数不多的物质的真正基础成分。
几年来，我们中的一位（Perl派尔）领导的物理学家小组在斯坦福直线加速器中心（SLAC）作了这种研究，它是由SLAC和加利福尼亚的劳伦斯贝克勒实验室合作进行的，一项大的实验计划中的一部分。我们拥有一台潜力很大的、用来产生新粒子的装置：SPEAR电子 - 正电子贮存环。在该装置中，两束反向旋转的物质束（电子）和反物质束（正电子）可以相互交叉穿过，引起高能碰撞，其中初态强子湮没成一团能量闪光，然后产生出新粒子。用这个装置我们证实了第五种轻子的存在。新粒子带有电荷（像电子、μ子一样），它比过去发现过的任何一种轻子来得重；事实上，它比某些强子还要重。本文介绍发现这对新粒子及其反粒子（我们称它们为τ和反τ粒）的经过。
怎样来寻找一类新的基本粒子呢？这需要如下几条基本准则。第一，你应该清楚地了解所寻找的对象，然后你才能知道找到的是否就是它。第二，如果寻找的对象必须人为地制造出来，正如我们所做的那样，你得用一种方法多次重复地使它出现。第三，如果你一旦得到了新的对象，应该知道它具有哪些选择特征。
我们要寻找的粒子具有电子和μ子那样的性质。换言之，可以这样来描写这个粒子，它具有-1或+1的电荷，受电磁力和弱力的作用，而与强力无关。但是还有如下两个疑问。第一，所寻找的荷电粒子有怎样的质量？第二，电子的生存时间是任意长的，而μ子大约在二百万分之一秒内衰变掉，那么新粒子的寿命是多少呢？质量问题是一个难题，因为没有（也谈不上）一个理论能解释所观察到的μ子和电子的质量，或它们的质量比（这个比值大约为1/200）。四年来所知道的只是在阿贡的ADONE电子 - 正电子对撞机上做的某些实验结果，它指出，任何新的荷电重轻子质量下限约为1,000百万电子伏（Mev）：其能量大约相当于10倍μ子的质量或2,000倍电子的质量。然而在SLAC的我们小组并不需要考虑新的荷电轻子具有多大的质量，我们的实验装置可以记录到质量高达3,500 Mev的粒子，所以只要它在这段能量范围内存在，就能探测到它。
关于假想粒子的寿命问题，情况两样些，有较确切的理论答案：对任何质量大于1,000 Mev的重轻子，寿命要小于一百兆分之一秒。最轻的轻子，即电子，因为不存在更轻的荷电粒子来作为它的衰变产物，所以是稳定的。μ子由于可以衰变成电子，所以不稳定。然而μ子到电子的衰变不能以最显而易见的方式进行，例如μ子不能通过电磁作用自发地衰变成一个电子和一个光子，尽管这个过程有足够的能量来产生光子。实际上看到的是μ子通过弱作用衰变成三个粒子：电子、电子反中微子和μ中微子。
物理学家引用一条经验法则来解释这个奇怪的行为，法则的根本含义还有待于进一步研究。这个行为可以归结为电子和μ子各自的内禀属性，我们称之谓“类电子性”和“类μ性”，并假定四种有关粒子分别显示出这些性质。这样，电子、电子中微子、反电子（即正电子）和电子反中微子均具有类电子性（或对反粒子来讲具有反类电子性），而μ子、μ中微子、反μ子和μ反中微子均具有类μ性（或反粒子的反类μ性）。于是这个法则可以简单地表达成在任何粒子相互作用或衰变过程中，轻子的类电子性和类μ性必须分别守恒。
这样一来，μ子到电子和光子简单的电磁衰变就不可能了，因为在这个过程中，μ子的类μ性将变成电子的类电子性。较为复杂的μ子到电子，电子反中微子和μ中微子的弱衰变是可以的，因为这里μ中微子保存了μ子的类μ性，而电子的类电子性正好同电子反中微子的反类电子性抵消（在通常的粒子物理中，采用电子轻子数和μ轻子数来表示类电子性和类μ性，上述法则可以表达为轻子数的守恒，然而我们认为这种单纯地归结为电子和μ子性质的做法不够确切）。
无论如何我们应判断一下，那个所要寻找的假想的重轻子有哪些应有的性质。一种可能是假定新轻子带有电子轻子数（或类电子性），于是它可以通过电磁衰变成为一个电子和一个光子。一种更有意思的可能性是假定一对新的轻子、反轻子（及其相应的一对中微子、反中微子）带有自己的轻子数。按照这种看法，电子和μ子正好是一系列荷电轻子的开头几种，它们每一种都有自己的“类似性”。对于那些排在后面的，理论上预言的粒子，一般称为荷电重轻子系列，其中“重”字表示它们的质量比电子和μ子的质量大。早先我们曾获得过这种粒子存在的零星迹象，并用符号U表示它（“未知”粒子之意）；然而，现在我们明确地证实了它的存在，称它为τ粒子，这个名字取自希腊文τρυιου，即“第三”的意思。它表示τ是由电子和μ子起始的一系列轻子中的第三只荷电轻子。
正如我们指出过的，要有效地探索新的基本粒子，必须对它的性质有所了解，要有一种能够重复产生这种粒子的方法，以及知道新粒子同其他已知粒子之间的区别。在SLAC的SPEAR电子 - 正电子贮存环上进行的实验可以同时满足后两个要求。这台机器从1972年开始运转，它由大约100块磁铁沿直径80米的环形轨道排列组成。SPEAR机用的电子、正电子束，由SLAC的两英里长的直线加速器产生后，在10到30秒“注入时间”里输入它的贮存环。在直空腔中旋转的束流通过磁性环时，由于磁铁引起的偏转和聚焦，束流在几小时的时间里维持在一个稳定的轨道上。环状粒子束除了在环上相对的两处地方外，都不相遇，这两个地方叫相互作用区。为了尽可能多地发生碰撞，在每一粒子束中，只有几厘米长的地方就含有大约100兆个粒子，它们形成一个紧密的“束环”，虽然每一个粒子只要百万分之一秒的时间就可以沿环跑完全程，然而其中某一粒子束中的粒子要直接命中另一粒子束的粒子机会，却平均要几秒钟才发生一次。
为了研究在简单的电子-正电子湮没中可能产生的所有粒子，SLAC的两个物理学家小组几年前同贝克勒劳伦斯实验室的两个小组合作，建造了一架多效能的粒子探测器，它安放在SPEAR机的一个作用区附近。探测器有一个柱形的中心区，它包括四只同心的置于强磁场中的火花室。围绕着火花室的是用来记录荷电粒子的闪烁计数管。当计数管探测到二个或者更多的荷电粒子时，火花室内部开始工作，电子计算机的磁带记下荷电粒子的径迹。用计算机可以重现粒子径迹，描绘出事例的表示图。
闪烁计数管外面是铝制的磁性线圈，再外面是一些用来探测电磁簇射的计数管柱形系统。这些计数管可以把电子或正电子从强子和μ子中区分出来，因为前者引起很强的簇射，而后者很弱。所有这些的外面是八边形的钢板，它有八英寸厚，再外面是火花室。所产生的强子，由于它和铁原子核有强作用，不能穿过钢板，电子和正电子的能量由于大量的电磁簇射引起的损失，也不能穿过它。然而μ子可以穿过钢板，被外面的火花室探测到。这架仪器不仅可以测量新产生粒子的方向和动量，而且还可以区分强子、电子和μ子。通过识别这些不同类型的粒子，我们可以找到τ-反τ粒子对。
SPEAR贮存环可以调节到存贮每束能量高达四十亿电子伏（Gev）的粒子束。因为碰撞发生在物质和反物质之间，这种碰撞的可能结果是所谓的湮没反应。这种反应实际上分两步进行，首先，相撞的电子 - 正电子消失，形成一个寿命很短的纯电磁能状态，它叫做虚光子，然后在一个不可测量的短暂时间里（10-25秒）虚光子又物质化成许多可能的粒子组合，其中一些可能的结果是重新生成电子、正电子对，μ子、反μ子时，强子、反强子对（例如质子、反质子对）或产生大量的强子。我们就是利用这种方法来产生重轻子，反重轻子对的。
如果这种新的重轻子一旦由SPEAR机的电子、正电子碰撞产生，那么怎样才能认出它们呢？我们早期估计τ的寿命为几千亿分之一秒，如果它接近光速（30万公里/秒）运动，则从它的产生处到它的衰变地方，相距也不过1厘米。这样的路程对于我们的实验装置来讲，要直接记录到它是太短了，所以我们通过τ衰变的特有性质间接地来识别它。
我们假定τ及其中微子有一种轻子数或“类τ性”，这意味着τ不能通过放出光子电磁衰变成电子或μ子。τ除了像μ子那样弱衰变外，由于它的质量很大，还有几种其他的衰变方式，下面我们指出应该特别引起注意的两种可能的弱衰变方式。
在第一种弱衰变方式中，τ衰变成τ中微子、μ子、μ反中微子，这个过程的反过程是反τ衰变成τ反中微子、反μ子和μ中微子。在第二种衰变方式中，τ衰变成τ中微子、电子和电子反中微子，或者反τ衰变成τ反中微子、正电子和电子中微子。
我们特别指出这两种衰变方式是因为估计它们发生的可能性很大。更重要的是，这些表面上看来比较复杂的衰变，从实验的角度来讲非常简单。其原因是衰变过程中产生的中微子和反中微子是一种隐含粒子，实验仪器并不去“观察”它们。这样实验仪器实际上记录的只是两只荷电粒子的径迹：电子、反μ子或者正电子、μ子。
这样，由于如下两个原因，最终可看到的是一种奇特的衰变形式。第一，在末态中出现一个电子和一个μ子（或它们的反粒子）。看上去它违反轻子数守恒原理，然而事实上，这个原理并没有被破坏，因为测量不到的中微子起了平衡作用。第二，似乎有能量损失，而这也是由于看不见的中微子带走的。
我们最初发现这种电子-μ子事件是1974年。从10,000个各种事例中我们得到24起电子-μ子事件。虽然这种事件数很少，但只要过程是确实存在，就意味着μ的质量在SPEAR机的能量范围之内。
然而，一开始，我们对此仍持怀疑态度，因为在仅有的24起事件中可能存在各种误解。首先，我们的计数管在辨认电子和μ子方面是很差的，事实上大约有20%的可能把强子误认为是电子或介子。对这个问题仔细研究后，表明24个事件中只有5~6个事件，可能是由于对衰变产物中的强子误认所导致的。
怀疑的第二个原因是由于这样一个事实，或许我们所找到的这个新粒子，实际上更可能是一个新的强子，而不是新的轻子。如果正巧确实如此，那么这样一个强子的最可能的候选者是称为D介子的粲强子，它还没有被发现过。可以设想，电子-μ子事件同D介子的产生及衰变有关。这种衰变伴随着有中微子和中性K介子的生成。中性K介子很奇怪，在它的一半寿命时便可能稍稍地变掉，所以在它发生衰变之前，就从我们的探测器里溜掉了。在中性K介子逃脱的情况下，人们只能从探测器中看到电子和μ子，从而误认为这就是我们所寻找的τ-反τ粒子对的衰变。当我们积累到更多的电子-μ子事件以后，尤其是在高能场合，我们学院的G. J. 弗特曼证明了大多数电子-μ子事件不可能是从D介子对产生的，因为这时，我们应该至少同时观察到几起电子-μ子信号和中性K介子的衰变产物。
自从我们最初发现电子-μ子事件后两年来，已收集到更多的这类事件（现在我们大约有200起），并用其他方法验证了我们的数据。一种重要的验证方法是看电子和μ子的能量有怎样的分布，它们应该是重轻子弱衰变为三个粒子时的分布。我们发现，根据实验数据画出的曲线同三体衰变的假定一致，而同三体衰变不符（见图5）。
另一种验证方法是我们考虑τ-反τ对的其他可能衰变方式。例如一个τ衰变成一个介子（介子是强子中的一族），另一个反τ衰变成μ子，于是我们可以期待看到与众不同的双μ事件。这种事件的特别在于像电子-μ子事件一样，它看上去好像破坏轻子数的守恒。来自马里兰大学、巴维亚大学和普林斯顿大学的一组物理学家在SPEAR机上找到几起这种双μ事件。随后，我们的斯坦福- 贝克勒小组也收集到大约100起类似事件。
当然，对于一个完善的证明来讲，还有一些环节有待于进一步澄清。在汉堡的德国电子回旋加速器实验室有一台称为DOPIS的电子 - 正电子贮存环，它可以像SPEAR机那样产生粒子。如果在斯坦福产生的τ粒子是确实的话，它也应该在汉堡实验室产生出来。有一年多时间，DOPIS没有报告过重轻子的发现，但是随后在汉堡的一个小组开始观察到电子-μ子事件，甚至还有双μ事件，它们都具有τ-反τ对所应有的特征。另外，在DOPIS的另一个小组发现了若干电子-介子事件，它同电子-μ子事件非常相似。
最近，八月份在汉堡举行的轻子和光子物理学国际会议上，SPEAR的五个实验小组和DOPIS的两个小组报告了他们各自用电子 - 正电子湮没产生重轻子的研究结果。所有小组都同意如下几点结论：（1）证明存在着一种新粒子。（2）新粒子不是粲强子。（3）新粒子的质量在1,800 MeV到1,900 MeV之间（大约比μ子质量大20倍，比电子大4，000倍）。（4）所有测量到的有关新粒子的性质同所预言的荷电重轻子性质一致。
有一种方法可以说明新粒子是轻子而不是强子，这种方法是测量作为对撞的电子- 正电子总能函数的新粒子产生几率。从有关强子对的产生知识可以知道，当体系总能上升超过某一阈能时，产生几率先上升一段时间，随后很快地下降。很快下降的原因是如果能量继续上升，由粒子复合成的强子不能再保持在一起，代替一对强子的是许多强子的生成。相反，因为轻子是点状的粒子，不能再分，所以可以预料从阈能起，轻子的产生几率将很快上升，正到一个极大值，然后再缓慢地随能量增加而下降。利用电子-μ子事件估计出τ-反τ对的产生几率，我们可以决定新粒子的产生几率怎样随能量而变化，从而确定是轻子对而不是强子对（见图6）。
虽说所有实验都证明这是一只新的重轻子，我们仍不能最后肯定这点。例如，有资料表明τ不受强力的影响，但这一点比较含糊，不像电子和μ子那样明显。又对于许多基本粒子来讲，其中包括轻子，它们不断地绕自己的一根轴旋转，像一只自旋的陀螺，但是还不能确定τ是否也具有电子和μ子那样的自旋性质。而且也不知道这个τ粒子是否就是我们最初打算寻找的那个重轻子，换句话讲，τ是否具有自己的轻子数（类τ性）？或者是一类具有更奇异性质的全新的轻子。
在其他实验室进行了试验，发现用μ中微子相互作用并不能产生τ介子。由此看来τ不是类μ性的。但是仍有类电子性的可能（如果是这样的话，那么必须有一个更特殊的复杂机制去禁戒τ到电子、光子的电磁衰变）。此外，还没有发现τ的所有可能的衰变方式，我们只是知道了当τ是轻子时的一些衰变方式。
另外尚有待于实验和理论进一步研究的课题是τ的质量（在1,800到1,900 MeV之间）为什么同所估计的粲介子D的质量（1,865 MeV）如此相近，尤其是当明确证明了τ不能是粲强子后。大家知道，在粒子物理学中有其他类似于这样的难题：μ子的质量（106 MeV）同π介子的质量（140 MeV）十分接近。这些仅仅是偶然的巧合，还是在轻子与强子的质量之间有着某些人们还不知道的关系呢？
还有一些其他问题，例如，怎样求出粒子的质量？由此解释电子、μ子和τ的观察质量分别是0.51,106和1,800到1,900 MeV。这个数目的上升比算术级数的上升快，比几何级数的上升慢。当然，只给出三个点，有许多经验公式可以来逼近它们，但是它们并不能作为对轻子基本了解的基础，因为还不清楚单独一个轻子的质量是什么意思。
是什么原因造成类电子性，类μ性和类τ性的呢？也许没有必要对这些性质作更深入的理解，正像物理学家把电荷看作是粒子的基本性质而不去深入理解它们一样，我们简单地把类电子性、类μ性和类τ性看作是轻子本身的性质接受下来。另外我们不知道为什么在一切粒子相互作用时总电荷是守恒的，同样我们也许不可能知道为什么在一切轻子作用时总的轻子数是守恒的。
目前不可能回答这些问题。两台新的电子- 正电子对撞机正在建造，在SLAC的PEP装置和在汉堡的PETRA装置，它们都可以使每束能量达到18,000 MeV。这意味着可以寻找质量更大的荷电轻子，它比目前大约3，500 MeV这个上限要高出五倍。计划在PEP和PETRA上进行的最主要的实验，包括通过观察电子-μ子事件寻找新的重轻子。新的轻子无论是有、还是没有，在研究中将会遇到更多的困难，因为τ粒子衰变的电子-μ子事件将变成讨厌的背景。实验必须把新的，感兴趣的电子-μ子事件从旧的、不感兴趣的、由τ和反τ衰变出来的电子-μ子事件中区分出来。另一方面，来自τ的电子-μ子事件将促使人们去寻找一种新的实验方案。
最后，有一些深刻的问题，今天我们还无法回答。例如目前认为是真正基本的两类粒子：轻子和夸克之间有什么联系？在τ发现之前，我们只知道有四种轻子和四种夸克（把每个粒子和它的反粒子算作一种）。这是一种漂亮的对称性，告诉我们轻子和夸克之间有某种理论上的联系。然而，发现新的重轻子后，这种对称性破坏了，如果同τ相应的还有一个τ中微子，那么现在已知的轻子数比已知的夸克数多两个。
费米国立加速器实验室的一个物理学家小组报告说，可能发现存在一种新的第五种夸克。这样，夸克数可以增加了。有的理论保持轻子和夸克之间的对称性，也有的理论放弃这种对称性，但它们都需要增加夸克和轻子数。轻子和夸克的种类，也就是物质的特殊形式这种表面上的激增是一种警告。在许多方案中，如果真正基本的粒子只保持几种，那么这种方案往往是优先考虑的，正像发现τ，或者发现τ和粲夸克以前那样。然而我们是无法命令大自然，说物质的基本构成就是这几种。人们只可能希望去继续寻找这些结构，并理解它们。
[译自Scientific American，1978年3期。朱伟译]