[拼音]：lizi
[外文]：
又称高能化学学或基本粒子化学学，数学学的一个分支学科。它研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构性质和在很高的能量下，这种物质互相转化的现象，以及形成这种现象的缘由和规律。它是一门基础学科，是当代数学学发展的前沿之一。粒子化学学是以实验为基础，而又基于实验和理论密切结合发展的，它大致经历了三个阶段。
第一阶段(1897～1937)
在这个阶段里，两千多年来人们关于物质是由最小构成单元──原子构成的思想，由哲学的推理，弄成了科学的现实，并且在这个阶段终了时，产生了现代的基本粒子的思想。
原子的概念，是由2400年前的法国哲学家德谟克利特和中国战国时代的哲学家惠施提出来的。惠施说:“至小无内量子和粒子物理学何以解释一切，谓之小一，”意思是最小的物质是不可分的量子和粒子物理学何以解释一切，叫做最小的单元。这个最小的单元，就是德谟克利特称为原子的东西。并且她们都没能说明原子或“最小的单元”具体是哪些。以后的2000多年间原子这个概念，只逗留在哲学思想的范畴。
1897年，J.J.汤姆孙在实验上发觉了电子，1911年，E.卢瑟福由α粒子大角度弹性散射又否认了带正电的原子核的存在，这样，就从实验上证明了原子的存在和原子是由电子和原子核构成的。
1932年，J.查德威克在用α粒子轰击核的实验中发觉了中子。随后人们认识到原子核是由质子和中子构成的，因而得到了一个所有的物质都是由基本的结构单元──质子、中子和电子构成的统一的世界图象。
就在这个时侯开始产生了现代的基本粒子概念。1905年，A.爱因斯坦提出电磁场的基本结构单元是光子，1922年被A.H.康普顿等人的实验所否认，因此光子被觉得是一种“基本粒子”。1931年，W.泡利又从理论上假定存在一种没有静止质量的粒子──中微子（严格地讲是反中微子，中微子的存在是1956年由F.莱因斯和C.L.科恩在实验上否认的）。
相对论性量子热学预言，电子、质子、中子、中微子都有质量和它们相同的反粒子。第一个反粒子──正电子（电子的反粒子）是1932年C.D.安德森借助置于强磁场中的云室记录宇宙线粒午时发觉的，50年代中期之后相继发觉了其他粒子的反粒子。
随着原子核化学学的发展，发觉不仅已知的引力互相作用和电磁互相作用之外，还存在两种新的互相作用──强互相作用和弱互相作用。标志四种互相作用的硬度的无量纲互相作用（耦合）常数及由它们引发的过程速度（反应率）见表1。
第二阶段(1937～1964)
这个阶段的开始以1937年在宇宙线中发觉μ子为标志。
μ子的发觉
1934年，汤川秀树为解释核子之间的强作用近程力，基于同电磁作用的对比，提出这些力是由质子和（或）中子之间交换一种具有质量（电子质量的200～300倍）的基本粒子──介子引发的。1936年，C.D.安德森和S.H.尼德迈耶在实验上确认了一种新粒子，其质量是电子质量的207倍，这就是后来被称为μ子的粒子。μ子是不稳定的粒子，它衰弄成电子、一个中微子和一个反中微子，平均寿命为2×10-6秒，载流子为媡/2。
汤川最初提出的介子的电荷是正的或负的。1938年，N.J.凯默基于实验上发觉的核力的电荷无关性的事实，发展了稍早些时侯出现的同位旋的概念，完善了核力的SS(2)对称性理论。这个理论有两个重要的结果，一是不仅带正负电的介子之外，还应该有不带电的中性介子，三种介子的质量应该相同；二是强互相作用的粒子可按同位旋分成一组组的多重态。
h介子和奇特粒子的发觉
1947年，M.孔韦尔西等人用计数器统计方式发觉μ子并没有强作用，直接的证明是1948年由张文裕用云室研究μ子同金属箔直接互相作用得到的。1947年C.F.鲍威尔等人在宇宙线中借助核乳胶的方式发觉了真正具有强互相作用的介子，其后，在加速器上也否认了这些介子的存在。它们的质量约是电子质量的270倍，带有正电荷或负电荷，被称为π±介子。1950年发觉了不带电的π0介子。μ子后来则和电子以及中微子归于一类，被统也称轻子。
自此之后人类认识到的基本粒子的数量越来越多。就在1947年，G.罗彻斯特和C.巴特勒在宇宙线实验中发觉了V粒子(即K介子)，这就是后来被称为奇特粒子的一系列新粒子发觉的开始。因为它们奇特的性质，一种新的量子数──奇特数的概念被引进到粒子化学中。在这种奇特粒子中，有质量比质子轻的奇特介子K±、K0和
；有质量比质子重的各类超子，包括Λ0、Σ±、Σ0、Ξ0和Ξ-等。这种新发觉的粒子，都是不稳定的粒子，除h0介子外(它的寿命是10-16秒)，它们的平均寿命都在10-6～10-10秒之间，所以在月球上的一般条件下，它们并不存在，在当时的情况下，只有依靠从太空飞来的高能量宇宙线能够形成。
这种发觉了的基本粒子，加上理论上预言其存在，但仍未得到实验否认的引力场量子──引力子，按互相作用的性质，可分成引力子、光子、轻子和强子四类（表2）。
新粒子大发觉和强作用SU(3)对称性的构建
为了克服宇宙线流强太弱这个限制，从50年代初开始建造能量越来越高、流强越来越大的粒子加速器。实验上也陆续出现了新的强有力的侦测手段如小型气泡室、火花室、多丝反比室等，开始了新粒子的大发觉时期。到了60年代头几年，实验上观察到的基本粒子的数量早已降低到比当初元素周期表出现时发觉的物理元素的数量还要多，但是发觉的势头还有增无已。1961年，由M.盖耳－曼及Y.奈曼提出的，用强互相作用的SU(3)对称性来对强子进行分类的“八重法”。八重法分类不但给出了当时早已发觉的强子在其中的位置，还确切地预言了一些新的粒子，如1964年用气泡室实验发觉的Ω-粒子。八重法挺好地说明粒子的载流子、宇称、电荷、奇异数以及质量等静态性质的规律性。
在此阶段中，否认了不单电子，所有的粒子，都有它的反粒子（有的粒子的反粒子就是它自身，如h0、η等）。其中第一个带电的反超子廟-是由中国的王淦昌等在1959年发觉的。据悉，还发觉了为数诸多的寿命极短，经强作用衰变的粒子──共振态。
基本粒子大量发觉，使人们怀疑这种基本粒子的基本性。基本粒子的概念，面临一个突变。这就是这个阶段终了时粒子化学在实验上的状况。
这个阶段理论上最重要的进展是量子场论和重正化理论的构建，以及互相作用中对称性质的研究。
量子场论和重正化理论的发展
上一阶段对微观世界理智认识的最大进展是量子热学的构建。经过一代化学学家的努力，量子热学能挺好地解释原子结构、原子波谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收及幅射等等现象，非常是当它同狭义相对论结合而构建相对论性量子热学之后，它早已成为微观世界在原子、分子层次上的一个基本理论。并且，量子热学还有以下几个方面的不足：
（1）它不能反映场的粒子性；
（2）它不能描述粒子的形成和湮灭的过程；
（3）它有负能量的解，这引起化学概念上的困难。量子场论是由P.A.M.狄喇克、E.P.埃及、E.P.维格纳、W.K.海森伯和泡利等人在相对论量子热学的基础上，通过场的量子化的途径发展下来的，它挺好地解决了这三个问题。
在量子场论领域中最早发展上去的是量子电动热学，它是把电磁场（光子场）和电子场都加以量子化，进而描述电子和光子的各类现象的一种理论。40年代里，人们对这个理论中的发散困难作了深入的剖析。因为J.S.施温格、朝永振一郎、R.P.费因曼和F.J.戴森等人的努力，在解决这个问题上有了突破性的进展。她们发觉，假如重新定义理论中的质量和电荷，使之同实验的观测值相应，则量子电动热学中的无穷大结果不再出现。这些清除无穷大结果的方式，称作重正化理论。它不但在原则上解决了量子电动热学中出现的发散困难，还提出了一整套按电子电荷的幂次展开的，直观的，用图形表示的逐级近似（微扰近似）的估算方式──费因曼图方式，使量子电动热学的估算有了简单可靠的、具有相对论协变性质的基础。P.库什和H.M.福里1947年发觉的电子反常磁矩，和由W.E.兰姆等发觉的氢原子的22S1/2和22P1/2基态的分裂，只有通过量子电动热学的重正化理论能够得到正确的解释(见μ子和电子回磁比�屠寄芬莆�)。明天，量子电动热学早已经受了许多实验上的验证，成为电磁互相作用的基本理论。
探求强作用的基本理论
50年代初证明了重正化的方式，也适用于强互相作用的汤川理论。但这无助于使汤川理论成为强互相作用的基本理论，由于按强作用耦合常数的幂次展开级数是不收敛的，对于弱互相作用理论则更困难。1934年由E.费密提出的弱作用理论中，尽管耦合常数小，可以作微扰展开，但是在最低阶的估算得到挺好的结果，而且，在高阶修正时出现的无穷大结果不能用重新定义质量和耦合常数的方式来去除，所以它是不可重正化的。
1954年，盖耳—曼，M.L.戈德伯格和W.梯令提出强互相作用的色散关系理论。在50年代直至60年代初它有很大的发展，在强作用过程的现象剖析方面，也曾得到一些好的结果，但经过十多年的研究，总算肯定色散关系不可能是强作用的基本理论，主要缘由是它只包含对散射振幅的普遍要求，而缺少强互相作用独有的特殊性的东西。因此它只能是一种唯象剖析手段。
顺着这个方向发展的还有雷其极点理论等。它们在缺少严格证明的情况下被推广于强作用的散射理论。所得到的最重要的结果是：
（1）基本粒子的载流子和质量有显著的规律性；
（2）随着入射能量降低，二体散射截面在小角度处的变化具有特定的模式。因为这种理论的出发点和缺点与色散关系大致相同，故它们的成就和存在的问题就同色散关系大致相近。
互相作用中对称性理论的进展
在当时，理论上另一重大的进展是互相作用中的对称性的研究（对称性和守恒律）。假如量子场系统在一种对称变换下保持不变，则将对应着一种守恒量，比如在时空平移下不变，对应的守恒量就是能量和动量。在50年代早期，普遍觉得在各类互相作用中，都有着空间反射变换p、电荷共轭变换C和时间反演变换T的不变性，与此相对应，宇称和C宇称应当是守恒的。不过，这些观点，不仅1955年由泡利在很通常的前提下，从理论上证明了CPT联合变换下量子场论的不变性以外，其他是没有从实验上或理论上被严格证明过的。
1955年，经过缜密地对奇特粒子θ介子和θ介子的实验剖析发觉了θ-θ之谜。1956年，李政道和杨振宁了解到，在弱作用中宇称守恒事实上并没有得到过实验上的否认。她们提出，在弱作用中宇称是不守恒的，也不存在θ-θ之谜。1957年，吴健雄小组在极化原子核60Co的β衰变的实验中，否认了宇称不守恒。随即不久，宇称不守恒在其他的弱作用过程的实验中也得到了否认。这种实验同时也否认了在弱作用中C宇称的不守恒。
1964年，J.W.克洛宁等人在长寿命K
介子的衰变实验中，发觉有2π终态的衰变，因而实验又否认了虽然单独的空间反射p和单独的电荷共轭变换C的不变性在弱作用中遭到破坏，而且它们的联合变换Cp的不变性也受到破坏。随即认识到，这个实验事实上也否认了在弱作用中时间反演变换的不变性的破坏。
在弱作用中，与宇称不守恒的程度很大相反，Cp不守恒的程度是极为微弱的，其根本缘由至今尚没有足够的了解。
发觉大量新粒子，因而使基本粒子的基本性遭到猛烈的冲击；确立了各类对称性在弱作用中的破坏和成功地提出了强子分类的SU(3)对称性;确定了量子电动热学作为微观领域中电磁互相作用的基本理论，但强作用和弱作用尚缺少基本的理论，这就是在这个阶段终了时粒子化学学发展的概况。
第三阶段(1964～)
这个阶段的开始以提出强子由夸克组成的假说为标志（见强子结构）。
并非所有的基本粒子都是"基本"的看法，最早是在1949年由费密和杨振宁提出的。她们觉得，π介子不是基本的，基本的是核子，而π介子只是由核子和反核子构成的结合态。1955年，布吉昌一扩展了费密和杨振宁的模型提出了强子是由核子、Λ超子和它们的反粒子构成的SU(3)模型。布吉的模型可以解释介子的分类，但解释重子的分类有着很大的困难。
夸克假说的提出
1961年，在实验上发觉了不少共振态。1964年，已发觉的基本粒子（包括共振态）的种类降低到上百种，因此促使盖耳－曼和G.兹韦克提出，形成SU(3)对称性的基础就是构成所有强子的构造单元，它们一共有三种，并命名为夸克(quark)。
60年代以来，在宇宙线中、加速器上以及在岩石中，都进行了对夸克的实验寻找，但迄今还没有被确证为成功的报导。因为大量的实验没有找到自由夸克，目前理论上流行的想法是须要作无穷大的功能够把两个夸克完全分开。因而夸克不能以自由的状态出现，这些性质，称作夸克软禁。不过这仅仅是在实验上及理论上仍未得到完全否认的假说。
强子内部结构的实验证据
在60年代和70年代，有更多的能量更高、性能更好的加速器建成。其实在这种加速器上没有找到夸克。但却得到了间接的，并且更有力地说明夸克存在的证据。
强子具有内部结构的征兆，最早是在60年代中由电子在核子上的散射显示下来的。1969年开始用高能量的电子作为探针来研究质子的内部结构，发觉质子内部有着几乎是自由的条状的结构。类似的实验后来也在中子上进行，得到了相同的推论。后来又用高能量的中微子作为探针来研究质子和中子结构。依据对散射截面的剖析，也可以得到核子里存在近似自由的、质量不大的条状物的推论（见深度非弹性散射）。
这种片状结构，可以觉得是夸克存在的证据。它们的电荷，可以由正负电子湮灭为强子的总截面加以验证。由正负电子湮灭为强子的过程，同正负电子湮灭成一对μ+μ-子的过程相近，从理论上晓得，在高能下，这两个过程的总截面σ（e+e-→强子）和σ（e+e-→μ+μ-）的比值R和夸克的电荷ei有关：
，i标志夸克的类型。70年代初的r实验值和理论上的夸克电荷值基本上能满足这个关系式，因而给与了夸克模型以很大的支持。
第四种和第五种夸克
最初，在盖耳—曼等提出的假定中，夸克只有u、d、s三种，由此可以得到当时及其后发觉的所有粒子的一个令人满意的分类。1974年，丁肇中及B.里希特等分别在质子加速器和正负电子对撞机的实验中发觉了一种新粒子J（或叫做ψ）;它的质量很大，而寿命却比大部份共振态小一万倍，这必须解释为它是由一个新的夸克c和它的反粒子婔所构成。这些新的夸克c又称粲夸克，具有一种新的量子数──粲数C，它的电荷是
。这第四种夸克及粲数的存在，不久便因一系列的新粒子ψ′、ψ″、D、F、ηc等的发觉而得到进一步的否认。同时，在更高能量的实验中，前面提及的r值也降低了，这也说明了在足够高的能量下第四种夸克开始对R做出贡献。
1977年，L.M.莱德曼等发觉了另外一个奇特的新粒子墝，它的性质也只能以它是由另一种新的夸克b及其反粒子姼所构成来解释。这第五种夸克的存在，近些年由新粒子墝'、墝″等的发觉而得到更多的证据。现今称第五种夸克b为底夸克，它的电荷是
，带有一种新的量子数──底数B。在目前才能达到的最高能量的实验中，r值的进一步降低，说明b夸克也开始对r值做出贡献。
轻子的新发觉
与强子的数量大幅降低的情况相反，自从1962年借助小型火花室，在实验上否认了两类中微子分成Ⅴe和Ⅴμ以后，长时间内已知的轻子就只有四种：(e，Ⅴe)和(μ，Ⅴμ)，然而到了1975年情况有了改变，这一年M.佩尔等在e+e-对撞实验中发觉了一个新的轻子θ，它带正电或带负电，衰弄成μ子或电子和两个中微子，它的质量很大，达质子的两倍，所以又叫重轻子。与它相应，普遍相信应有另一种中微子Ⅴτ存在，而且仍未得到实验上的否认。
至今仍未发觉轻子有内部结构的实验证据。μ子在各个方面都同电子相同，相差只在于质量，这是一个仍然使化学学家困扰的问题──所谓代的问题。θ的发觉使轻子降低到三代：(e，Ⅴe)，(μ，Ⅴμ)，(θ，Ⅴτ)。构成不同代的轻子的缘由是目前粒子化学研究的中心课题之一。一种尝试是把轻子和夸克置于同一层次上考虑（表5、表6），并考虑它们是复合粒子，是由更深一层次的粒子统一地构成的。似乎因为实验上的证据不足，这些考虑目前尚缺少可靠的基础。但不少化学学家对中微子Ⅴτ的存在并不怀疑，这些对称性强烈地意味着一种新的夸克──第6种夸克t──的存在，它应该带有
的电荷和一种新的量子数──顶数T。目前在实验上已得到第6种夸克存在的征兆。
夸克理论提出不久，就有人认识到强子的强互相作用和弱互相作用的研究应构建在夸克的基础上，同时还要充分考虑强子的结构特点和各类过程中的运动学特性，能够正确地解释强子的寿命、宽度、形状因子、截面等动态性质。1965年，中国发展的强子结构的层子模型，就是这个方向的首批研究之一。层子的命名，是为了指出物质结构的无限层次而做出的。在比强子更深一层次上的层子，就是夸克。近20年来，粒子化学实验和理论发展的主流，仍然顺着这个方向，在弱作用方面，已有了突破性的进展，在强作用方面，也有重大的进展（见强子结构）。
电弱统一理论的构建
最早的弱互相作用理论，是费密为了解释中子衰变现象在1934年提出来的。弱作用宇称不守恒的发觉，给弱作用理论的研究带来很大的动力。此后不久便确立了描述弱作用的流在洛伦兹变换下应该具有V-A的方式（V是矢量流，A是轴矢量流），并且适用于所有的弱作用过程，被称为普适费密型弱互相作用理论。
虽然在最低阶的微扰论估算中，普适费密型弱互相作用理论可以给出同实验相符合的结果，但是高阶的估算中出现的无穷大，却难以用重正化的方式去除，这是费密弱作用理论的根本困难。
1961年，S.L.格拉肖提出电磁互相作用和弱互相作用的统一理论。这个理论的基础，是杨振宁和R.L.密耳斯在1954年提出的非阿贝耳规范场论。格拉肖提出，电磁互相作用和弱互相作用，具有一种特殊的对称性──SU(2)×U(1)对称性。其中U(1)对称性是电磁互相作用所具有的，它的阿贝耳规范场粒子──光子是传递电磁作用的粒子，这是已为人们了解的；而SU(2)对称性则是格拉肖提出的，弱互相作用应具有的对称性，根据杨振宁和密耳斯的理论，它的非阿贝耳规范场粒子有三种：W+、W-和Z0，格拉肖觉得它们是传递弱作用的粒子。在这个理论中，两种互相作用是统一的，两种耦合常数有着确定的关系。并且在这个理论里，W±和Z0粒子是否具有静止质量、理论上怎么重正化等问题，没有得到解答。
1967～1968年，在SU(2)×U(1)定域对称性的自发破缺的基础上，S.温伯格、A.萨拉姆阐述了作为规范场粒子的W±，Z0是可以有静止质量的，还算出这种静止质量同弱作用耦合常数以及电磁作用耦合常数的关系。这个理论中很重要的一点是预言弱中性流的存在，而当时实验上并没有观察到弱中性流的现象。因为没有实验的支持，所以当时这个模型并未造成人们的重视。1973年，澳洲费密实验室和法国核子中心在实验上陆续发觉了弱中性流，以后，人们才开始对此模型注重上去。在1983年，С.鲁比亚实验组等在的高能质子—反质子对撞的实验中发觉的W±和Z0规范粒子，质量(mw≈80GeV，mZ≈90GeV)及特点同理论下期待的完全相符，这给与电弱统一理论以极大的支持，进而使它有可能成为弱互相作用的基本理论，其实，这还有待于实验上对一系列的干涉现象的检验和对黑格斯粒子（见黑格斯机制）的发觉和性质的澄清。
强互相作用研究的进展
60年代初，SU(3)对称性在强子分类上取得了成功，在此基础上形成了强作用的流代数理论。这个理论把强作用的对称性和色散关系理论所沿袭的解析性讨论结合上去，给出了量子场论中出现的强子流算符所满足的代数关系，并由此得到了一些耦合常数之间、各种过程之间的关系及反常磁矩等化学量，尽管这种结果与实验符合，但流代数并没有给强作用的研究带来突破性的进展。
到了60年代末、70年代初，高能散射实验显示出强子的两个最明显的特点：
（1）强子内部片状结构的存在；
（2）这种片状结构在很小的尺度中互相作用很微弱，有如自由粒子（渐近自由现象）。这种特点使人们认识到，研究强互相作用理论必须把内部结构考虑在内。
1973年，因为非阿贝耳定域规范场理论的进展，G.霍夫特、D.J.格罗斯等人发展了强互相作用的量子色动力学理论。与量子电动热学一样，量子色动力学也是一种定域规范理论（表6）。在这个理论中，严格的对称性是SU(3)对称性，夸克之间的强互相作用则是因为交换胶子而形成的。胶子是SU(3)定域规范粒子，但是同光子一样，它并没有静止质量，而且因为光子没有电荷，而胶子却带有电荷，所以电磁互相作用没有渐近自由性质，而强互相作用却具有着渐近自由的性质。
在小距离范围(揥10-14cm)中，因为强作用耦合常数很微小，量子色动力学是可以做微扰论展开的。虽然目前对夸克、胶子的拘禁性质仍未弄清，不得不引进例如复合、碎裂等唯象概念，但也能较好地解释一些高能实验结果，包括r值随能量的变化。轻子—胶子深度非弹性散射的结构函数对标度无关性的偏离，高能下的喷注现象等。但在大距离范围中(＞10-14cm)，量子色动力学不仅不能用微扰论展开的困难外，还另有一些根本性问题，这种都有待解决及澄清。
粒子化学的前景
目前，粒子化学早已深入到比强子更深一层次的物质的性质的研究。更高能量加速器(1TeV，即的质子加速器及2×的正负电子对撞机)的建造，无疑将为粒子化学实验研究提供更有力的手段，有利于形成更多的新粒子，以弄清夸克的种类和轻子的种类，它们的性质，以及它们的可能的内部结构。
强电互相作用统一理论目前取得的成功，非常是弱规范粒子W+、W-和Z0的发觉，强化了人们对定域规范场理论作为互相作用的基本理论的信念，也为今后以高能轻子作为探针阐述强子的内部结构、夸克及胶子的性质以及强作用的性质提供了可靠的剖析手段。但黑格斯粒子是否存在的问题尚有待于继续澄清。
夸克之间强互相作用的一些根本性的重大问题，如拘禁、碎裂等，目前还没有解决，在今后一个时期，强互相作用将是粒子化学研究的一个重点。
把电磁作用、弱作用和强作用统一上去的大统一理论，近些年来造成相当大的注意。但即便在最简单的模型中，也包含近20个无量纲的参数。这表明这些理论还包含着大量的现象性的成份，只是一个非常初步的尝试。它还要走相当长的一段路，就能成为一个有效的理论。
另外，从发展趋势来看粒子化学学的进展肯定会在宇宙演变的研究中起推动作用，这个方面的研究也将会是一个非常活跃的领域。
很重要的是，数学学是一门以实验为基础的科学，粒子化学学也不例外。为此，新的粒子加速原理和新的侦测手段的出现，将是意义深远的。