CERN和SLAC用正负电子对撞实验证明宇宙间的基本粒子只有三个家族，它们是怎样得到证明的？
我们周围的宇宙由三种基本粒子组成，它们是“上”夸克，“下”夸克和电子。恒量，行星，分子、原子，甚至人类本身，都由这三种物质组合而成。它们与电子的中性的而且可能是没有质量的伙伴——电子中微子构成物质的第一个家族。
然而自然界并非如此简单，它还提供了另外两个家族，它们除了质量与第一个家族不同，其它各方面都相似。为什么自然界恰好提供物质的三种相同形式的复制品？对此我们一无所知。理论迄今没有作出回答。会不会不是三个而有更多的家族呢？最近的实验已经得出结论：没有。
1989年春天和秋天，斯坦福直线加速器中心（SLAC）和日内瓦欧洲核子研究中心（CERN）的物理学家组都已经完成了他们的实验。两个组应用设计各不相同的机器使正负电子对撞，从而产生出大批Z（或Z°）粒子。
Z的质量接近一个银原子，约为质子质量的100倍。它是我们已观察到的粒子中最重的基本粒子。我们将看到，这个质量只是一个平均值。这是因为Z的寿命非常短，以致各个Z粒子的质量都略有差异。质量值的散布范围叫质量宽度，它是一个取决于物质家族数的量。由于这个宽度可以用实验加以测定，因物质的家族数就可以由宽度推得。本文综述用来计算物质家族数的实验。
让我们先考察一下这一成果的各部分联系。我们关于基本粒子及其相互作用的知识在过去25年里经历了非同寻常的系统化。已知粒子可分类归入费米子或规范玻色子。费米子是自旋为1/2的粒子，即是说，它们具有本征角动量1/2h（h是常用普朗克单位：10-27尔格 · 秒）。费米子可以认为是物质的要素。规范玻色子是自旋为1或角动量为1h的粒子。可以把它们看作是费米子之间作用力的介体。表征这些粒子的除了它们的自旋，还有它们的质量和它们相互间的各种联接（如电荷）。
全部已知相互作用可分为三类：电磁、弱和强。（第四种相互作用是引力，在基本粒子层次上予以忽略，这里就不须考虑了。）尽管三种相互作用显得不一样，但它们的数学表述却十分相似。在所有描述它们的理论中，费米子之间都是因交换规范玻色子而相互作用。
像在电子与原子核结合形成原子中所见到的那样，电磁相互作用以交换光子作为媒介；弱相互作用以重W+，W-和Z玻色子作为媒介；而强相互作用则以八个无质量的“胶子”作为媒介。例如，质子是由三个费米子夸克所组成，它们由交换胶子而结合在一起。
这些相互作用还用来描述高能碰撞中粒子的产生。一个光子转变为一个电子和一个正子，即是一例。在巨大高能下一个电子和一个正子因碰撞而湮灭产生出一个Z粒子，为又一例。
这些规范理论的演变组成了粒子物理进步的一幅美妙的图画。1968 ~ 1971年提出用弱相互作用来统一电磁理论。“弱电”理论预示了中性弱相互作用，它是CERN在1973年发现的。10年之后，还是在CERN，发现了重中介玻色子W+，W-和Z。
强相互作用的规范理论在70年代初期有了进步。这个理论叫量子色动力学。这是因为它在解释强力时，夸克相互作用建立在它们的“颜色”之上。颜色在这里是徒有其名的，实际指的是一种不可见的性质。颜色之于强相互作用有如电荷之于电的作用：它是一个表征力的量。不过电动力学中电荷只有一种状态——或正或负，而色荷则有三种状态，夸克显示红、绿、蓝，反夸克显示反红，反绿，反蓝。
综合应用这两种规范理论常能以高精确度预示迄已观察到的基本现象。但是表象的全面性并不意味着这个模型就是完美无缺的。规范理论预示所谓希格斯（Higgs）粒子的存在。这种粒子被认为是粒子质量的来源。但现在还不是物理学家额手称庆的时候，除非把它找到或者找到了它的替代物。规范理论还包括许多独立的物理常数，如相互作用耦合强度和粒子质量。理想的理论将解释自然界为什么建立起这些特殊值。
弱电理论中有一个法则，它要求费米子成对出现。电子和电子中微子就是这样的对。因为它们比较轻，所以把它们叫做轻子。另外还有一个法则是：每一种粒子必有它的反粒子：对应于电子的是正子，对应于电子中微子的是电子反中微子。在粒子和反粒子相碰撞时，它们互相湮灭，产生次级粒子。我们将看到，这样的反应构成了这里要讨论的实验的基础。
为了避免理论中难以捉摸的故障，有必要把轻子对与相应的夸克对联系起来。电子是最轻的荷电轻子，因此它与最轻的夸克相联系，即u夸克（或上夸克）和d夸克（或下夸克）。没有发现夸克的游离状态，只发现它们与别的夸克和反夸克相结合的状态。
举例说，质子由两个u夸克和一个d夸克所组成，然而中子则由两个d夸克和一个u夸克所组成。高能实验已经证明了整个第二家族和大部分第三家族的存在。在所有情况下，后一个家族的粒子都比前一个家族的相应粒子重得多（中微子可能是一种例外）。第二家族的两种轻子是μ介子和μ介子中微子；它的夸克是粲夸克（或c夸克）和奇异夸克（或s夸克）。第三家族已证实了的成员是它的两种轻子——τ轻子和τ中微子——和底夸克（或b夸克）。剩下的夸克叫顶夸克（或t夸克），它对于弱电理论有决定性的意义。这种夸克还没有发现。但是我们和其他物理学家都相信它的存在，并且不妨认为，因为它太重了，用目前的粒子加速器还难以把它产生出来。
没有几个第二家族和第三家族成员是稳定的（中微子又可能是例外）。它们的寿命范围在百万分之一秒到一万亿分之一秒之间，它们以衰变为较低质量的粒子而告终。
在弱电理论的粒子分类中有两个实质性的漏洞：第一，尽管理论上要求费米子成对地出现，但并没有规定多少对费米子组成一个家族。没有理由说明何以各个家族不能有别的尚未观察到的粒子类型（除轻子和夸克外）。这种可能性引起大批我的同行们的兴趣。然而至今尚未观察到新的粒子。第二，这个理论对于本文的中心问题——物质的家族数未置一词。也许由粒子建立的更高的家族太重，以致现存的加速器难以把它产生出来？
现在，物理学家除了把观察到的质量引入预定的理论基础，别无可为。然而，有一种形式能够判明了：在给定的一类粒子（即一荷电轻子或荷电+2/3或-1/3的夸克）中各后续家族的质量较前一家族作可观的递增。其中递增最小的是第二家族的μ介子跳跃到第三家族的τ轻子，增加约17倍。
另一个惊人的景象是在家族内部发现的。轻子总是比夸克轻；在所有轻子对中，中微子总是明显较轻的粒子。事实上，毕竟还不清楚中微子是不是有质量，实验证据给出的仅仅是各类粒子所能具有的质量的上限。
中微子很轻这一性质对于本文报告的数出粒子家族数的方法是重要的。即使第四、第五或第六家族的夸克和轻子成员因重得厉害，以致用现有加速器难以产生出来，然而说中微子质量很小或者没有质量，这还是八九不离十。大体可以肯定，这样的中微子质量小于Z玻色子质量的一半。所以，如果这样的中微子存在，它们可望是在Z的衰减产物之中。Z是大量地衰变为中微子对的独一无二的粒子。
令人遗憾的是中微子不参加电磁相互作用和强相互作用，因此难以检测。它们只通过“弱”力与物质相接触，这么说的强有力的理由是：大部分中微子经过地球时不发生相互作用。我们将描述，在实验中通过间接的方法寻找中微子。
这种方法从产生Z粒子开始。Z可用一正负电子对产生出来。正负电子对的结合动能在它们的静止质量（用相当能量值表述）和Z的静止质量间建立质量差。由于这些轻子具有很小的静止质餐、它们在其中传播的每一束都必须提高到45.5×109电子伏（eV）的甚高能量，约为Z质量之半。
倘若Z是完全稳定的，束能的值就必须正好等于守恒能和动量。但是这样的理想稳定性是不可能有的。这是因为如果Z能从粒子产生出来，那么必然也能自由地衰变回去。事实上，Z有许多衰变“通道”，每一通道都使Z的寿命缩短。
在本文开头，我们指出Z的短促寿命使它的质量具有不确定性，应用这个不确定性的范围可数出物质的家族数。让我们来说明这件事之所以然。海森堡测不准原理的一种形式确定，一种状态的延续时间越短，它的能量必然越是不确定。由于Z是短命的，它的能量一一或者它的相当质量——具有一个测不准的范围。这一说法的含义是：任何个别Z的质量能得到准确测量，但不同Z的质量则略有差别。若把测量得到的许多Z的质量画出图像来，最后的图形是一个特征钟形，钟形宽度与Z的衰变速度成比例。
钟形是由改变碰撞能量和观察产生的粒子数记录其测量结果得出来的。测量描出的曲线，其峰值或谐振大约在总束能91×109eV处。这个点叫峰值截面，它规定了Z的平均质量，谐振曲线的宽度则规定Z粒子质量的不确定性。
谐振曲线宽度等于每个Z粒子衰变通道所贡献的局部宽度之和。已知通道是所有质量小于Z质量之半的费米子的粒子和反粒子对的衰变：三种荷电轻子，五类夸克和三种中微子。如果有别的费米子，它们的质量也小于Z质量的一半，Z也会衰变为这些费米子，因此这些通道也为Z的宽度作出贡献，使之增大。
现在的实验表明，这样衰变到新的荷电粒子的事情并没有发生，因此我们能够肯定：这样的新粒子并不存在，要不然它们的质量大于Z质量的一半。不过，如果较高质量的家族真的存在，那么（如我们前面论证的那样）它们的中微子仍然可望具有较Z质量之半还要小得多的质量。所以，Z还是会衰变到这些通道。尽管不能在这些实验中直接看到中微子，然而这些中微子物质会对Z的宽度作出贡献，从而使它们成为可观察的粒子。这就是本文所报告的能够通过实验数出物质家族数的原理。
电弱理论预示已知通道的贡献如下：总夸克通道为1.74×109eV；每个荷电轻子通道为83.5×106eV；每个中微子通道为166×106eV，精确度达到1%。
当理论上中微子（随之家族）数增加时，预示的Z宽度亦增加。另一方面，预示的峰值截面按宽度的平方下落（见图）。人们能够由测量所得的宽度或是由峰值截面合乎逻辑地推论出家族数。后者是统计学上更具权威性的测量。用直接实验测量以建立家族数，这不得不等持熟知的正负电子湮灭产生出大量的Z粒子。
CERN的研究者们着手解决这个问题是通过巨型正负电子（LEP）对撞器——一个规模巨大的传统贮存环装置。谐振腔以射频功率加速两束。两束通过一近似圆形的管道按相反方向运动。电磁作用使束绕各弯道弯曲，从而使它们在4个区域内对准相撞。每个区域都装有大型检测器。
这种环的优点是可以无限地贮存粒子，这样它们就能连续不断地循环和碰撞。它的缺点是以同步放射的方式排出束能来，这是一些荷电粒子的发射，用磁场来转变它的方向。这样的损耗（在这些能量中以X射线出现）是作为束能的第四种动力增加的，它的量值与环半径成反比。为此，设计人员为了增加束的功率要么注入更多的能量，要么建造更大的环，或者双管齐下。如果投入物力构成最佳应用，这种贮存环的成本要按束能规模加以权衡。人们认为在这类加速器中LEP已接近实际的经济极限。
在斯坦福，高能正负电子碰撞是在斯坦福直线碰撞中心（SLC）以一种新奇的方法进行的。正负电子在3公里长的直线加速器中加速（建造它原是为了别的目的）。它们被传送到一个1公里长的弧形物中碰撞旨排出。正负电子由于在弧内的同步辐射各损失2%的能量。不过这样的损失是允许的，因为粒子并不回流。碰撞点上装置着一个简单的检测器。
LEP是效率很高的装置，当正负电子束循环流动时，每秒钟约发生45，000次碰撞。SLC的束碰撞最多每秒只有120次。因此，SLC必须提高效率。达到这一要求的方法是将束截面面积减至最小。截面积越小，正负电子迎头相撞的机会越多。SLC已产生出百万分之四米的束直径，大致是一根头发的五分之一。不过目前它生产Z的速度仍然比LEP小100倍。
庞大的物理学家队伍用巨大的检测器分析碰撞结果。SLC的检测器叫MarkⅡ，LEP的四个检测器叫Aleph，Opal，Delphi和L3。SLAC组约有150位物理学家；CERN的每一个组约有400位，他们来自24个国家的研究机构和大学。
检测器的功能是尽可能多地测量那些构成碰撞事件的粒子的能量和方向，并识别它们的性质，尤其是荷电轻子。检测器做成洋葱状夹层；里面是示踪装置，外面是热量器。示踪装置测量荷电粒子的角度和动量。借在适当气体中碰撞产物后面留下的离子踪迹来显示轨道。别的媒体，如半导体检测器和塑料光纤也在应用。
示踪装置一般放在强磁场中使粒子轨道向它们动量的相反方向弯曲。对曲线的测量可得出动量，动量依次提供精密的能量估值。（在这些实验中，粒子的能量和动量相差甚微。）
热量器测量中性的和荷电的粒子能量，办法是使这些能量在某种致密传导体中通过接连的次级相互作用耗散掉，然后用适当办法对这个能量进行取样，测定达到热量器粒化度允许范围的精确性。我们用多种方法来实现热量器的功能；最通常的方法是用致密材料薄片做成的多层结构，这些材料有铅、铀、铁，各层间用示踪敏感物质层将它们隔开。
粒子因原子产生的撞击电子而在物质中留下痕迹。液氩或氩气和有机气体的混合物是这里常用的传导物。塑料闪烁器的工作则不同：在反应粒子通过时，它所产生的闪光强度可以测量得出来。热量器通常有两层，内层是测量电子和光子的最佳装置，外层则是测量强子的最佳装置。
为了收集全部反应产物，理想的检测器覆盖了围绕相互作用点的整个立体角。这样的检测器是SLAC在70年代首创的。LEP的Aleph检测器中追踪正负电子湮灭产物则是逐步进行的。
连接反应部位的硅条装置安装于每一轨道的前端点，粗细不超过十万分之一米（约为一根头发的一半宽）。八层检测器导线沿轨道通过一直径60厘米的内室。最后，还有一个直径3.6米的测时室，它用强电场来收集因粒子通过气体而从气体分子中产生的撞击电子。电场使电子漂移到圆柱室的两端，在那里被放大，并在50，000个小垫片上进行检测。每个电子的起始点是从它在垫片上的位置和它到达那里所花的时间推断出来的。
下一步是，在外部把反应物带到电子 - 光子热量器。产物通过超导线圈时在装置的中心轴处产生15，000高斯的磁场，然后进入强子热量器。这个装置是一系列铁片，中间用气体测量器隔开，像通常的电磁铁那样，它还反射磁通。
两个加速器开初几个月收集到的数据已为电弱理论提供迄今最有力的支持。尤为重要的是，它们已经画出高度精确的描写Z宽度的曲线。
观察到的绝大部分正负电子湮灭导致四组产物：88%产生1个夸克和1个反夸克，余下12%在下列三种粒子产物中平分：τ轻子和反τ轻子，μ介子和反μ介子，电子和正子。（最后那种情况是起始湮灭的简单颠倒。）
衰变到电子和μ介子时，可以看到两个背对背的径迹，其动量（和能量）相当于综合束能的一半。两种产物易于区别，因为它们在热量器中的行为有明显差别。衰变到τ轻子的情形就比较复杂了，因为它们在衰变到三级粒子之前仅仅存在一霎那，这期间它们通过一毫米距离，只有这时才可以观察到它。一个τ轻子留下的既有紧密堆积的径迹，也有单个的径迹。不管两种情况中的那一种，一个τ轻子的讯号都是由与之反向运动的τ轻子反照出来的（因此保存动量）。
用来说明大多数反应的夸克，它们的游离态或“裸”态是观察不到的，因为它们一出生时就经历一个叫强子化的过程。每个夸克在强子射流中“着”起“装”来，平均数15，三分之二带了电。这是四种主要衰变事件中最复杂的一种，它通常以背对背射流出现，每一射流包含许多径迹。本文所述的结果，是以对大约80，000个Z衰变为夸克所作的分析作为基础的——那是四个LEP组和一个SLAC组所做的综合结果。
Z产物曲线是在能量扫描中测定的。产物几率用许多能量来测量：峰能以外还有在其上和在其下的能量。在这里，精确的束能消息显得十分重要。在两个加速器上得到束能消息的方法是很不相同的，但在两者中都表现极大的精巧并获得万分之三的精确度。
如像本文开头指出的那样，Z谐振总宽度既可以从峰能高度测得，也可以从谐振曲线的宽度测得。高度的统计误差较小，但是所需要的信息，不仅仅是事件发生的速率，而且包括两束相遇产生粒子的速率。后者称为加速器的发光度。
在两束形状相同、大小相等和完全调准了的情况下，发光度等于一相遇束簇中电子数和正子数乘以每秒相遇的束簇数，除以束截面面积。但实践中，发光度只是由观察一个过程的速率来测定，这个过程已被精确把握：电子和正子散射，互相以很小的角度一闪而过，它们并不互相结合或改变状态。为了记录这样的所谓弹性碰撞，把两台专用检测器放置在刚好离束管轴一个小角度的范围内。一台在碰撞面之前，另一台在碰撞面之后。在Aleph中，这些检测器是高粒化度的电子 - 光子热量器。
作弹性散射的电子和正子可用特征式样加以辨认。在此特征式样中，电子和正子把能量积存在检测器中，它们背对背地撞击两个检测器，产生出一条完全调准的路径。这里的精髓是精确地理解粒子被记录下来的途径，尤其是在检测器中那些相应于超过小散射角的部分。这很重要，因为检测速率对于角度变化非常敏感。
当最后数据与理论谐振形状相合时要考虑三个参量：峰高度，总宽度和Z质量。事实上，数据与理论上所期望的分布形状吻合得很好。接下来是由两个独立参量来测定中微子家族数。这两个参量就是宽度和峰高。
五个组的综合结果得出中微子种类的估算平均值是3.09，实验误差是0.09。这个数逼近整数，它应当是整数，这与已知的中微子种类数相合。第四种中微子可能存在的唯一条件是它的质量超过400亿eV，能给出三种已知中微子的不可测的小质量，这才不会与那些数据相矛盾，但这是很不可能的。
Z的结果与银河系和超银河系级等的物质研究者收集的宇宙学证据相吻合。天文学家已测量出氢对氦及其它宇宙轻元素之比。宇宙学家和天体物理学家已经在对这些相对丰度的发生过程进行推论。
大爆炸后不久，灾变爆炸产生了宇宙并开始它的膨胀。物质是如此之热，致使中子有可能衰变为质子 - 电子对，正像它后来有可能结合成中子那样。结果中子与质子同样多。但是当宇宙膨胀和冷却时，稍重的中子变成质子比质子变成中子更便当。中子 - 质子之比因而稳定下落。
当膨胀带来宇宙温度低于10亿开尔文时，质子和中子第一次得以熔和，从而形成许多较轻元素，其中主要的是氦。终了丰度取决于轻元素形成时中子对质子之比。这个比又取决于宇宙膨胀和冷却的速率。在这个阶段里，每个轻中微子家族（即是说，任何具有小于约百万电子伏质量的要素）对能量密度和冷却速率作出可观的贡献。已经测量到的轻元素丰度与采取三个轻中微子家族的宇宙模型相一致，而不支持四个或更多的家族数的主张。
许多问题还无解答。为什么正好有三个粒子家族？它们成员的质量是由何种法则确定的（规定它们的质量将是1010的跨度）？这些问题置于当今粒子物理的中心位置上，由于物质家族数的计数而向这些问题的解决迈进了一步。
[Scientific American，1991年2月号]
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*两位作者是致力于用实验测定物质家族数的负责人。前者是SLC检测器（MarkⅡ）的主持者，后者是LEP的Aleph检测器（四个检测器之一）的主持者、1988年诺贝尔物理奖获得者。——译注