由于实验家拉盖里克、理论家特霍夫特等的工作，高能物理学中的主导地位已经不再由美国独占了。

十五年前，为了促进以高能加速装置为中心的日本的基本粒子研究所（后来，作为文部省直辖的国立高能物理学研究所，1971年设立于筑波学园都市的北端）的建立计划，将先进国家与地区的高能物理学研究计划分成四次说明和二次图片特集刊载于《自然》杂志上。这次继续进行解说，并和上次同样以加速装置和基本粒子实验为主，概述其后十五年的高能物理学的发展。

上次起草解说时，日本的高能物理学研究所（略称高能研或KEK，后者现在已为世界上通用了）还未开始活动。不仅日本、全世界也都处于大学纠纷的高潮中，大学及学术界骚动，人们议论科学工作者和技术工作者的社会责任，进而公然的反科学论很有势力。直到第二次世界大战之后，高能物理学是使用大型加速器产生各种高能束的实验的时代，也是美国在此领域里夸耀压倒优势地位的时代。

与之相对，如本文将要说明的那样，到现在为止的十五年的高能物理学界的状况，概括地讲，是美国失去优势的时期。世界上对美国的高能物理学虽仍寄以很大希望，但在此领域内西欧的追赶已经奏效，可以说终于超过了美国；并且，基本粒子实验的主流由用高能束撞击静止靶的时代转向到使用对撞机的时代。

再者，这一时期高能物理学（基本粒子物理学）面貌也完全变了。统一电磁作用和弱作用的理论产生了，并经住了实验的验证。核力等原因的强作用的论述也由色动力学（规范理论，后述）取代了汤川理论。于是出现了统一描述有关基本粒子相互作用钓大统一理论，进而还导致了旨在建立也包含重力的庞大理论体系——超重力理论等的各种各样的试论的辈出。真是一个如火如荼的时机。

下文将叙述以最近十五年基本粒子物理学的实验研究为主导的发展。虽是一个概述，也以若干现象和物理学家及其阵营为重点，试图刻画出这一时期这一领域的发展的特色。或许带有很浓的作者的个人色彩，但也明确表示了作者对物理学的主张。

进而，再试述一下基本粒子物理的、特别是加速装置的今后的前景吧。

1.美国的质子加速器

——费米国立加速器研究所

1967年康乃尔大学威尔逊任美国国立加速器研究所NAL（National Accelerator Laboratory）所长，在芝加哥西郊获得2750公顷的基地，积极建设大型质子同步加速器和筹备必要的研究设施。威尔逊所长以批判贝克莱的加利福尼亚大学准备建立的200 GeV（2000亿电子伏特，1 GeV=10亿eV）的质子同步加速器计划是过于保守的设计以及费用估计过高而闻名的。他主持加速器的设计和建设，并在想出新办法的同时，尽量地节约预算，主张在200 GeV的贝克莱（Berkelay）的计划预算内，可以建成更高能量（400 GeV）的加速器。他发挥单一所长的独特的作风，激励鞭策所员，出色地实现公约。他的口号是：不管是加速器，或是基本粒子实验装置都要保证质量地“既快又省”。

理所当然，他的工作并不是一帆风顺地进行着的。例如，用他满意的新材料的非常便宜的电磁铁配置在未干透的隧道（半径2公里的圆形）内，因吸湿而逐渐失效。备齐隧道内的空调，直到干燥隧道，历尽了意想不到的艰辛，威尔逊的工作方法也是极崭新的：大胆采用未经充分试验过的东西，即使不好也要在建设中设法改进，使加速器工作。所以怀有悲观见解的一部分专家们甚至说威尔逊的加速器也许不会转动。但是，威尔逊和他率领的阵营以想到底坚持到底的精神和行动，提前完成了预定计划，向实验家们提供了转动的质子同步加速器。

“质子同步加速器的加速进行情况”

1968年12月1日 开始建设

1972年2月12日 100 GeV质子加速成功

1972年3月1日 200 GeV质子加速成功

1972年7月 300 GeV质子加速成功

1972年12月14日 400 GeV质子加速成功

又，在1976年完成了500 GeV的质子加速。1974年以后，主要做实验用的质子束被加速至300 GeV乃至400 GeV。

美国是一个大国。威尔逊的质子加速器建设事业不是举国全力以赴的，推进贝克莱的200 GeV计划的许多人就没有参加威尔逊的计划。另外，拥有大批加速器专家的BNL（布鲁克海文国立研究所）以及与其有密切联系的大学里的专家们也都倾向于制订独自的高能计划[BNL在贝克莱的200 GeV加速器完成后，设想了建设800 GeV的加速器。但是不久，BNL又制定了使200 GeV质子束对撞的依萨贝尔（ISABELLE）计划]。因此，威尔逊不怎么依赖贝克莱和BNL的人力，可以说威尔逊是集合了一批实力不明而有可能跑第一的人们，实现了他所梦想的500 GeV加速器。

威尔逊的高超技术并不是在当上所长时才初次表现出来的。1953年年底他发现细缩粒子束（所谓强收敛）可以大幅度地节约同步加速器的建设费。当时打算在康奈尔大学建造1 GeV电子同步加速器的威尔逊直接将同步加速器的设计改变成强收敛型的，一年后建成了同步加速器。这样，他就向全世界首先证明了这种方式不是纸上空谈，而是实际的工作。此后，无论用于电子或质子，同步加速器均建成强收敛型的。

1974年在招待费米的遗孀仪式上，NAL改名为费米国立加速器研究所，也简称作费米实验室。至1974年为止NAL所用经费为2、435亿美元，低于当初预定的2亿5千万美元。

费米研究所的加速器一开始工作，实验家们便迅速开始了各种各样的基本粒子实验。大规模地实现了使用自加速器取出的高能质子的实验和以质子撞击靶而产生的各种二次粒子（各种介子束、中子、重子等）、进而使用由二次粒子衰变产生的三次粒子束（μ子、电子、光子、中微子）的实验。这样就获得了许多有关高能方面的基本粒子的反应的知识。

费米研究所所完成的实验中最出色的是由莱达曼和山内泰二等人的小组（哥伦比亚大学、费米研究所、纽约州立大学石溪分校的联合组织）的新介子（中性矢量介子）宇普西隆Υ（质量9.46 GeV/c²，即质子的10倍左右）和Υ'（质量10.02 GeV/c²）的发现。

该小组以前（1970年）在BNL的实验中虽然得到新粒子J/ψ（质量3.097 GeV/c²）的暗示，但却将此发现让给了丁肇中和里斯特（因此获得了1976年诺贝尔物理学奖）。这是因为莱德曼等人的测定装置不能精密测定比质子质量重数倍的中性介子质量的缘故（捕获向其μ子对的衰变）。他们发奋图强，努力提高装置的性能，在费米研究所组装新的装置，向发现比J/ψ更重的中性介子进军。他们一度找到5 GeV/c²左右质量的新粒子，高兴而勇敢地发表了。但是，后来在反复实验中却未能确认这种新粒子的存在。……灰心、失望之余，再度奋起，在更高的质量的领域里进行了探测。这样终于在1977年发现了Υ和Υ'（虽还得到了Υ”质量10.35 GeV/c²的暗示，但却未能分离开Υ'和Y”）。

2. ECRN的ISR

——交叉型束流储存器

美国在BNL的30 GeV质子同步加速器以后，迅速建设200 ~ 500 GeV质子加速器。与之相对，西欧的CERN在魏斯柯夫所长领导下，首先进行了ISR（直译为交叉型束流储存器）11.8 ~ 35.5 GeV的质子束和质子束对撞机的建设。ISR自1966年开始建设，比预定提前4个月即在1971年3月正式建成。总经费3亿2千5百60万瑞士法郎（1965年价格）。1972年12月，对撞的频度达到当初的设计值。这样，CERN再次以其加速器队伍的实力居于世界之巅（最早的例子是28 GeV质子同步加速器的建设）。

ISR已经入射某种28 GeV质子同步加速器的质子束。它在ISR内可加速至31.5 GeV。它超由储存反向运动质子的两个近似于圆形的储存环构成的，两个储存环有8处交叉（图1）。交叉点的一个点用于舍弃束流，所以能在余下的7个点使两股质子束对撞。两股束不是迎头对撞，而是以15°角交叉。若是31.5 GeV的束流，则可实现与用加速至2000 GeV的质子撞击静止的氢靶同等的撞击过程。这无非是对撞机的威力。

CERN决心不造数百GeV的质子加速器，而建造ISR对撞机的理由是什么呢？这是因为要研究远比数百GeV加速器可实现的能量为高的现象。而且若能实现如此高的能量，就有很大希望一定能以发现某些新的现象（东西）。例如，或许能发现传递弱作用的介子——这种希望后来落空了。这是因为传递弱作用的粒子的质量，后来理论上的预言是80 GeV/c²左右。当时是不可避免地要依靠各种各样的乐观的预测的。更重要的是60年代中期决心建设ISR时，曾预测过美国近期肯定要开始建设200 GeV的质子同步加速器。如果这样，西欧的ISR就成了美国高能加速器的补充，那不是非常合适吗？

ISR一经发挥作用，国际的实验组织就能进入了各交叉点，观测世界最高能量的质子、质子对撞的各个侧面的实验开始了。

在这以前，西欧各国的联合组织是在CERN进行实验的，在BNL及费米研究所的实验是依靠美国的大学及研究所的联合组织的。美国人以个人身份参加CERN的实验，过去也是极平常的，而美国的大学组织和欧洲的大学、研究所的伙伴组合起来，共同分担必需的经费及装置设备而进行实验却无前例。西欧人参加用美国的加速器进行实验也完全一样，都是以个人身份参加的。

但是，在ISR进行实验的大多数都是如文字所示的那样的欧美的联合组织。发生了由大陆内联合组织向大陆间的联合组织进行的实验的变化。可以说正是因为ISR的这种独特性带来了强烈的效果。

70年代后期，由大型对撞机及加速器产生的基本粒子的实验，越过大洋，以国际性组织筹集费用与设备进行实验的方式已成定局。

那么，ISR的实验已取得重大成果了吗？

很难说ISR已经取得了它的计划或建设中所期待的那种“惊人的”成果。（即一般报刊宣传的意义上）。但是，就高能的强子（核子及介子强相互作用的粒子的总称）间的对撞而言，却教给了我们很多东西。提供了比使用30 GeV级加速器（用比ISR远低的能量）的强子间的反应推测出的、以及由更高能量的宇宙线数据推定出的更多的定量的资料。与数十（乃至后来的数百）GeV加速器产生的基本粒子实验相比，引用报告由ISR产生的实验的论文的频度高得惊人。ISR的实验结果即使没有使报纸轰动，却也有作为日常必需品的物理的意义。

ISR刚工作后的实验（第一代实验），主要是观测质子和质子对撞后生成和释放的多数的强子（叫做强子多重发生现象）的角度及能量的分布。其中也有任务是，了解利用高能对撞机的基本粒子反应（在重心系上看到60 GeV的对撞，对实验家来说是初次的体验！）的特征，进行实验技术方法的研究开发，为下次更好的实验（叫做第二代实验）计划的制定获得有用的情报。

3.高能强子和强子的对撞

这里略微介绍一下根据ISR产生的质子和质子对撞过程的研究所了解的情况。

首先最重要的发现是质子与质子对撞的概率（正确地说应该是总截面积）是随着入射能E的上升而缓慢地增加[与(lnE)²成正比增加] 。这种倾向根据宇宙线数据有过预想。但是，宇宙线（的空气簇射）的情报是根据按几何级数增加的等式多次反复计算核子和（空气的）原子核的对撞的结果的观测推定的，有着过多的可供反对的地方，得不到决定性的结论。反过来说，ISR的结果理所当然地给了迄今为止的宇宙线（的空气簇射）的解释以有信心的支持。它打破了60年代盛行的“常识”：强子A和强子B的对撞的总截面积σAB等于在高能E的极限上

ISR开始工作前，关于超高能的强子撞击强子而多重发生的强子（主要是π介子）的总数以及它们的能量及角分布，已有杨（杨振宁，在弱过程中宇称不守恒定理的提出者之一）和费曼（量子电动力学的建立者之一，和朝永博士、许温格同获诺贝尔物理学奖）发表过有意义的预测（假设）。

杨的学说叫做极限裂片假说（limiting fragmentation hypothesis）。强子像根据其内部电的分布（使高能电子对撞即可测得）那样地去理解，是具有一定的大小。例如，质子有0.8 fm（1 fm =10-16 m）左右大小。因此，试给有一定大小的强子A带有十分大的能量E，并撞击静止着的强子B（图2）。杨振宁主张：A对于B像锐利的小刀那样产生作用，在B的静止着的坐标系（在使靶B固定着的实验室内）上观测，则B的碎裂（也许有一些依存于强子A的种类）与A的入射能量E（如果E是很大的）无关。所谓B的碎裂，在实验室观测，无非是产生很多不怎么快的强子。

用数学来略微叙述一下杨振宁的学说，则是B的碎裂法在入射能E→∝的极限时接近于一定的模式。

其次，若在A的静止系观察同一对撞现象，则这次对于A，B则成为小刀，A的碎裂也表示为不依赖于B的入射能的一定的模式。

这就是杨振宁的极限裂片假说的内容。不过，杨的这一假说已为费米研究所的实验所证实，在ISR也认为是完全正确。

再将话题回到B的静止着的系统来。希望着一下图2。B碎裂而产生的缓发的强子，可以说就是在具有大小的B中因通过超高速的A（它也是强子，具有大小）的缘故，余下的没有破裂的B'碎裂成的强子，并把此称为B的裂片。若在A的静止系观察，则A'碎裂成强子，并把此称为A的裂片。

那么，A和B重迭时，A”+B”怎么样呢？A”和B”因强烈的相互作用而融合，并形成炽热的火球。原来的A因为具有很大的入射能，使火球变得细长。然后不久火球便分解成许多强子。将它比作电离（ionization），叫做强子化（hadronization），或者因所发生的强子的大部分为π介子，就叫做π介子化（π介子化——这一方与电离非常相似，让人能够全然明白真是不可思议！）。

费曼的这一假说是关于以此“强子化”产生的强子入射方向的动量部分P_//和垂直于入射方向的动量部分P_⊥的分布的预测。费曼主张：在强子A、B的对撞中，若入射动量P_A非常大，（1）如果靶B是静止的，即使P_A从数GeV/c至10⁶乃至10⁸GeV/c，P_⊥的分布也不依赖于P_A，而且P_⊥的平均值小（0.4 GeV/c左右，这一事实是根据西村纯等人的宇宙线的研究，在1960年左右从经验上得知的），以及（2）logP_//的分布也不依赖于E，仅仅是其变化区间应该从0到logPA（根据能量和动量守恒定律，最后部分是明确的）。

无论是费曼还是杨振宁，对于这些都不是根据物理学的基本法则加以证明的。都是根据各式各样物理的考察和直观，借神仙之口下达神谕的。

费旻的假说经常引用他的标度（Scaling）法则。若相信他的主张，则（3）强子和强子对撞发生的强子总数N与logPA（可以说它等于入射能的对数。因为在超高能中PA≈EA/c）成正比增加。

ISR的第一代实验中看到费曼的假说是正确的。但按以后的ISR的实验（1）虽正确，但（2）却稍有偏离（叫做费曼标度法则的破缺），并看到logPA左右发生缓悝的增加。因而（3）也需要订正，N成为

N=a+b(lnP_A)+C(lnP_A)²

（a，b，c为常数）

此经验公式不仅和ISR，而且和由更高的宇宙线所得的数据也非常一致。

大致地说，ISR的第一代实验研究了多重发生的强子之一，第二代以后的实验同时观测了一次对撞过程中发生的两个或两个以上的粒子。于是得知在ISR的能量领域里，从费米研究所的质子加速器的束流可以产生很多的重基本粒子（J/ψ及粲粒子等）。

但是，即使产生重的（因而寿命更短）新粒子，实验装置也只能捕获到它的自然衰变后的基本粒子（群）。因此在ISR中质子和质子对撞时，从多重发生的许多基本粒子中很难断定哪个是来自“新粒子”。但是相反，若能了解到新粒子的质量和衰变形式，则可在ISR的对撞中引出这类创造性的信息。这样，ISR对新粒子的发现没有起到直接的作用，并止于求在其他加速装置中发现的“新粒子”的发生截面积。从这一点看，ISR工作前对ISR的期望当然是指望过早了。

如费曼在（1）中所示，多重发生的强子的P⊥一般并不那么大。但是，频度虽少，却有时也存在有具有数GeV/c以上大的P⊥的强子，因此，P⊥的分布与P⊥-n成正比。n为8 ~ 12时，入射能越高，n则越缓慢但又渐趋减小。[如根据最近流行的量子色动力学（后述），在超高能领域里n预计接近于4。] 一个强子具有大的P⊥的概率极小，但使若干个强子大致向同一方向释出，其总的P⊥则很大，这一事像（叫做喷注）为前者的100倍。一个强子或喷注具有大的P⊥时，可观测到在其反方向上出现的具有相等大小的P⊥的喷注（比上述喷注展宽了的喷注）。这一现象可根据垂直于入射粒子的方向（为了简单起见，把它称为横向）的动量守恒定律直接地得到了解。

伴随大的P⊥的强子乃至喷注的发生机制，可根据夸克模型按图3理解。在ISR的实验中，从质子和质子对撞处观察时，由于测定装置覆盖的立体角过小，为了搞清喷注的全貌，现在还有尚须前进一步之感。与之相对，使费米研究所及CERN的数百GeV的束撞击静止靶，因为具有大的P⊥的强子及喷注集中于前方面出现，容易实验，但无奈能量过低，不是可以和IS只能量领域直接比较的信息。对于喷注的更好的研究，如后述那样，是通过高能的电子和正电子湮没的过程而进行的。

4.气泡室格尔卡迈尔和弱电理论

60年代是氢气泡室庞大得像恐龙那样的时代。仅10年左右，就从仅仅1升左右的东西进化到可含30 m3液体氢的达依诺萨乌罗斯（ダイノサウルス）。高能物理研究所没有哪里不准备了氢气泡室的。费米研究所和CERN当然也不例外。氢的原子核是质子——基本粒子，讲得更细一些就是作为强子的一种的重子的一员。对于准备进行强子和强子对撞的基本粒子物理学的实验性研究来说，质子靶，同时也是测定装置的氢气泡室是不可缺少的工具。使用液态氢以外的液体的气泡室当然也已制造，直到60年代已经大量用于实验（因为它们比技术上特别困难的氢气泡室容易制造，运转也令人满意）。但是，它们是原子核的靶，从研究强子、核子反应立场上看，在有助于反应的核子之外，许多核子存在于靶原子核内，只能构成研究上的障碍。

这样，氢气泡室的发展，促进了将其他液体气泡室驱逐出高能实验室之外。

然而，对此谁都认为是当然的趋势却出现了一位反叛者。法国物理学家（巴黎大学奥尔赛分校）拉盖里克即是此人。随着氢气泡室的大型化，正当连中微子的反应都被氢气泡室所独占之际，拉盖里克提出了如下的主张：“与提高发生中微子反应的概率的同时，增加测出通过它（直接或间接地——后者的例子是中性π介子的衰变）产生的光子和电子的能力（液体氢就缺乏这种能力），对中微子和核子或（原子内的）电子的反应的研究来说都是必需的。对此制成装入比液态氢重得多的液体的大型气泡室可很好地测出中微子反应。”

拉盖里克不顾氢气泡室支持者的顽强的反对，制造了大型重液体气泡室。该气泡室取名为格尔卡迈尔。这是拉布莱的故事里出现的巨人的母亲的名字。该箱长4米，自重25吨，里面吞入重液体（丙烷，氟利昂，或它们的混合液）12，000升。1965年12月开始建造，1970年年底完成。

1971年1月28日在格尔卡迈尔中开始撞击中微子束。从那以后放在CERN，用于中微子的研究。对该建设，法国支付2亿5千万法国法郎，CERN支付800万瑞士法郎。

同程度的频度发生的这一新事实的发现特别重要。在迄今为止众所周知的过程（3）中，可在反应前后的轻子（vμ和μ-）间看到电荷的变化，所以把（3）称为伴随具有电荷流动的过程。与此相对，在式（2）中，反应前后的轻子同时为vμ，不伴随电荷的移动，所以把（2）称为伴随（在电性上）中性流的过程。

换言之，格尔卡迈尔所明确的是，除历来众所周知的“带电流”的类型外，还有（出乎人们意料的）“中性流”的新类型。

这样一来，谁都敬服拉盖里克的先见之明了。可是他在巴黎大学奥尔赛分校讲课时倒下了，成了不归之客。正是1976年，享年52岁。他若能再活几年，相信一定会获得诺贝尔物理学奖或者当上CERN的所长了。真是英雄早逝，法国失去一位难得的物理学家。

1967年温伯格和萨拉姆各自独立地完成了统一电磁力和弱力的理论。可是，当时物理学家们没有认其采纳这一理论。温伯格自己提出将此理论作为与实验未必符合的理论模型。这是因为当时认为这一理论是不可能引进的，至少在理论上也是有欠缺的；另一方面，作为该理论包含的弱力必然地含有“中性流”的效果。后者尽管仅是没有受到实验物理学家们的重视和认真地去加以检验，可是像这样含有中性流的理论却就是被人们认为是有悖于实验事实的。

事态的急剧的变化因1973年拉盖里克等人的新发现（2）—弱力中的“中性流”的发现——以及（1）而引起，继之，由于1974年荷兰年轻的理论家特霍夫特证明了温伯格 - 萨拉姆的理论（更一般地说，则是不可换规范理论）引进是可能的，变化达到了顶点。这样，被看作是小玩具的温伯格 - 萨拉姆的理论统一了电力和弱力，并取得了麦克斯韦 - 法拉第的电磁学以后的最辉煌的成就。

拉盖里克、特霍夫特等人的工作象征着：高能物理学中的主导地位已经不再为美国所独占了。

[《自然》（日），1984年1月]