在强子层次上,原子核或强子物质的基本组元是核子和介子. 弄清这些强子的结构,并由基本原理出发研究它们的性质,是当代核物理的重要课题. 在各种介子中,π介子是最轻且最重要的介子. 关于自由空间中π介子的结构与性质、核介质内π介子的性质、π-核子相互作用与π-核相互作用等问题,始终受到相当多的关注. π介子在核物理中的作用直接联系着手征对称性,汤川秀树关于π介子的最初概念已经大大发展了. 有清楚的实验证据表明,核内存在π介子的集体模式,这种集体模式与以前观测到的所有核集体运动模式截然不同.

核物理中的π介子

π介子的发现

发现经历

理论支持

得到解决

核物理中的π介子

不接受新粒子的情况下，大胆提出一种新的核力场理论，认为存在起强相互的π介子，介子理论的提出，推动了核物理研究的发展，文章简要记述了这一历史事件。

π介子的发现

从事宇宙射线研究的研究人员，诸如C．D．安德森(正电子的发现者)及其合作者S．H．尼德尔迈耶(他后来有了一些重要的发明，曾用在第一颗原子弹中)，M．L．史蒂文森(M．L．Stevenson)，J．C．斯特里特(J．C.Street)，R，B．布罗德(R．B．Brode)等人，直到1937年才开始在宇宙射线中发现一些粒子，这些粒子质量介于电子质量和质子质量之间，对这些粒子作最精确的测量发现它们的质量约为电子质量的200倍。这些粒子叫做μ介子。它们不稳定，自由μ介子衰变的平均寿命约为2微秒。开始时，是根据在地平线上的不同高度和不同角度观察宇宙射线的强度巧妙地推断出平均寿命的，后来F．拉赛蒂直接测出了平均寿命。但是进行宇宙射线实验的人员在开始观察时，并不知道汤川的工作。战争使这项实验工作延缓了，并且使日本和西方隔绝开来。日本物理学家对存在着质量和汤川假定的粒子的质量相近的粒子根感兴趣，然而他们也注意到，要把μ介子和汤川粒子等同起来仍然有些困难：首先μ介子的平均寿命太长了；其次，μ介子在物质中受阻止时，它们与阻止物质的原子核发生相互作用显得很平常，虽然并不总是这样，三个年轻的意大利物理学家：M．康弗西(M．Conversi)，E.潘锰尼(E．Pancini)和O.皮西奥尼克(O.Piccionic)，通过研究这个现象，有了一个重要的实验发现。

发现经历

这三个年轻人那时正在躲避德国人，因为德国人要把他们流放到德国去进行强制劳动。他们三个人躲在罗马的一个地下室中秘密地工作，他们发现，正μ介子和负μ介子在物质中受阻止时的行为不一样。正μ介子的衰变或多或少象在真空中一样，而负μ介子如果被重核所阻止，则被其俘获并产生蜕变，但当它们被象碳这样的轻核所俘获时，则它们的衰变大部份就象在真空中一样，这不是汤川粒子所应具有的特性，因为一旦介子距离原子核足够近时，特定的核力就应当产生蜕变，所以汤川粒子应当与轻的或重的原子核都发生剧烈的反应。实验证明情况并非如此，因此μ介子不大会是汤川粒子。

理论支持

情况确实非常奇怪。汤川已经预言存在着质量约等于300个电子质量的粒子，有人也已找到了它们，但这种粒子却又不是汤川所预言的那种粒子。理论物理学家对康弗西、潘锡尼和皮西奥尼克的结果感到迷惑不解，而这些结果从实验观点来看，却又非常可靠。理论家们决心找出答案。日本的谷川、坂田和井上及美国的H．A．贝特和R．马沙克(R．Marshak)，各自独立地提出了一个可以解决已存在的困难的假设。他们提出，观察到的μ介子是汤川介子的衰变产物，而尚没有人观察到汤川介子。作出吸引人的、看起来是合理的假设是一回事，而要确证—个事实又是另一回事了。

得到解决

这时，一个新的实验技术，或者应当说一个老的实验的改进，为解决这个难题提供了一个有力的工具。早在第一次世界大战前，卢瑟福实验室的一位日本物理学家树下就已证明，通过照相乳胶的α粒子在它们的运动轨迹上留下了一组可显影的乳胶颗粒，所以人们能够看到粒子的轨迹。(我们可能会问：量子力学怎么办？测不准原理呢?粒子的波动性呢?读者可以放心，这些问题都有令人满意的解答，例如海森堡就曾作过详细的解释)树下用的乳胶仅对电离作用较大的粒子才灵敏，电子是探测不到的。