弱-電統一理論的實現,為人們進一步探索強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用的統一提供了有益的啟示。1974年,喬治和格拉肖(1932—)提出了強-弱-電統一的理論,這就是所謂的大統一理論。大統一理論指出,誇克與輕子可以相互轉化。重子是由誇克組成的,既然誇克可以轉變為輕子,那麼,重子也就不是穩定粒子了,它也可以發生衰變。質子是重子家族中的重要成員,也是最輕的重子,因此,質子也能夠發生衰變。自由質子可以衰變,是大統一理論的重要預言之一。長期以來,人們一直認為質子是絕對穩定的,實驗上也從來沒有觀察到質子衰變的事例。如果預言屬實,是向傳統觀念的嚴重挑戰,這將是人們對物質世界的一個再認識,人們正期待著這一新的飛躍。
轟動一時的阪田模型
1911年,盧瑟福提出原子有核模型理論,將原子劃分成原子核與核外電子兩部分,為人類揭開原子的秘密邁出了關鍵的一步;1932年,查得維克發現了中子。不久,海森伯便提出了原子核是由質子和中子組成的模式,為人們探索原子核的奧秘奠定了基礎。於是,很自然地就會提出這樣的問題,質子、中子與電子是構成物質的最基本成分嗎?質子、中子、共振態粒子等一大批粒子有沒有內部結構?為了回答這些問題,人們便開始了更深層次的研究工作。
1956年,霍夫斯塔特用高能量的電子束轟擊質子,發現質子的電荷不是均勻地分布在質子整個體積內,而是呈現出一些小斑點,每個斑點的半徑大約為0.7×10-15米。這一驚奇的發現,為人們探索強子的內部結構帶來了希望。後來又發現,中子雖然整體表現出中性,但它的內部卻存在有正電荷和負電路,電荷分布在0.8×10-15米的範圍內。早在1932年,斯特恩對中子進行測量時,曾發現中子不帶電,但中子的磁矩卻不為零,表明中子內部帶有電荷。
1970年,科學家們利用更高能量的電子流打擊質子時,發現質子內部具有點狀結構。曆史上有驚人的相似之處,這種現象猶如幾十年前α粒子散射實驗觀察到的結果。
諸如此類種種跡象,人們可以推斷質子、中子這樣一類重子,並不是一個簡簡單單的點粒子,而存在著複雜的內部結構;更何況大批共振態粒子的出現,它們內部存在有結構,人們更是深信不移。
既然強子存在內部結構,那麼,它們又是由什麼組成的呢?於是,人們提出了各種各樣的結構模型。阪田模型是早期模型中具有代表性的一例,曾轟動一時。
1956年,日本著名的核物理學家阪田昌一提出,強子是由一些基礎粒子組成的複合體。基礎粒子一共有三種:質子(p)、中子(n)和奇異粒子(Λ);每一種基礎粒子都有它的反粒子:反質子()、反中子()、反奇異粒子()。他認為一切強子都是由p、n、Λ和、、按照一定的方式組合而成的,稱為阪田模型。
重子是由兩個基礎粒子和一個反基礎粒子組成的;而介子是由一個基礎粒子和一個反基礎粒子組成的。要組成奇異粒子∑、Ξ、K等,需要有奇異粒子參與組合,為此選擇了Λ粒子。比如,K+是由P和組合(p)而成的:K°是由n與組合(n)而成的。
阪田模型是研究強子結構中最早建立起來的模型。阪田昌一敢於衝破“基本粒子”不可分的思想,正視基本粒子並不基本,而是有內部結構的,這是很大的進步。因此,在20世紀50年代頗為盛行。運用這種模型解釋對稱性和弱相互作用等有關問題,都給出了一些非常有益的結果。這樣,為強子結構模型的研究和建立起到了探路者的作用,有力地推動了這方麵理論的發展。
阪田模型有許多可取之處,但也遇到了一些不可克服的難關,其中最突出的困難就是質量問題。介子π+是由p和組成的,p與的質量之和約為1880MeV,而π+的質量僅僅有140MeV,兩者相差非常懸殊,那麼多的質量不翼而飛,很難讓人理解。由核子組成原子核時,也存在一定質量的虧損,但也隻有千分之幾。例如,兩個質子與兩個中子組成氦原子核時,質量虧損為千分之7.5。這部分質量,當核子組成原子核時以能量的形式釋放出去了,也就是所謂的結合能。引起質量虧損的原因是強大的核力作用的結果。目前,核力是人們已經認識的粒子間相互作用中最強大的;由基礎粒子組成強子時,質量虧損如此之多,表明基礎粒子間的相互作用要遠遠大於核力,這是很難想象的。