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一、物理概念

　　

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【簡(jiǎn)單介紹】

　　名稱：基本粒子
　　英語名稱：elementary particle
　　基本粒子指人們認(rèn)知的構(gòu)成物質(zhì)的最小最基本的單位。。但在夸克理論提出后，人們認(rèn)識(shí)到基本粒子也有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，故現(xiàn)在一般不提“基本粒子”這一說法。根據(jù)作用力的不同，粒子分為強(qiáng)子、輕子和傳播子^[1]三大類。
　　強(qiáng)子就是是所有參與強(qiáng)力作用的粒子的總稱。它們由夸克組成，已發(fā)現(xiàn)的夸克有六種，它們是：頂夸克、上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克和底夸克。其中理論預(yù)言頂夸克的存在，2007年1月30日發(fā)現(xiàn)于美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室?，F(xiàn)有粒子中絕大部分是強(qiáng)子，質(zhì)子、中子、π介子等都屬于強(qiáng)子。(另外還發(fā)現(xiàn)反物質(zhì),有著名的反夸克,現(xiàn)已被發(fā)現(xiàn)且正在研究其利用方法,由此我們推測(cè)，甚至可能存在反地球,反宇宙)
　　輕子就是只參與弱力、電磁力和引力作用，而不參與強(qiáng)相互作用的粒子的總稱。輕子共有六種，包括電子、電子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。電子、μ子和τ子是帶電的，所有的中微子都不帶電；τ子是1975年發(fā)現(xiàn)的重要粒子，不參與強(qiáng)作用，屬于輕子，但是它的質(zhì)量很重，是電子的3600倍，質(zhì)子的1.8倍，因此又叫重輕子。
　　傳播子也屬于基本粒子。傳遞強(qiáng)作用的膠子共有8種，1979年在三噴注現(xiàn)象中被間接發(fā)現(xiàn)，它們可以組成膠子球，由于色禁閉現(xiàn)象，至今無法直接觀測(cè)到。傳遞弱作用的W+，W-和Z0。重矢量玻色子是1983年發(fā)現(xiàn)的，非常重，是質(zhì)子的80一90倍。

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【主要特征】

　　基本粒子要比原子、分子小得多，現(xiàn)有最高倍的電子顯微鏡也不能觀察到。質(zhì)子、中子的大小，只有原子的十萬分之一。而輕子和夸克的尺寸更小，還不到質(zhì)子、中子的萬分之一。
　　粒子的質(zhì)量是粒子的另外一個(gè)主要特征量。按照粒子物理的 規(guī)范理論，所有規(guī)范粒子的質(zhì)量為零，而規(guī)范不變性以某種方式 被破壞了，使夸克、帶電輕子、中間玻色子獲得質(zhì)量?，F(xiàn)有的粒子質(zhì)量范圍很大。光子、膠子是無質(zhì)量的，電子質(zhì)量很小，π介子質(zhì)量為電子質(zhì)量的280倍；質(zhì)子、中子都很重，接近電子質(zhì)量的2000倍，已知最重的粒子是頂夸克。己發(fā)現(xiàn)的六種夸克，從下夸克到頂夸克，質(zhì)量從輕到重。中微子的質(zhì)量非常小，目前己測(cè)得的電子中微子的質(zhì)量為電子質(zhì)量的七萬分之一，已非常接近零。
　　粒子的壽命是粒子的第三個(gè)主要特征量。電子、質(zhì)子、中微子是穩(wěn)定的，稱為 "長(zhǎng)壽命"粒子；而其他絕大多數(shù)的粒子是不穩(wěn)定的，即可以衰變。一個(gè)自由的中子會(huì)衰變成一個(gè)質(zhì)子、一個(gè)電子和一個(gè)中微子； 一個(gè)π介子衰變成一個(gè)μ子和一個(gè)中微子。粒子的壽命以強(qiáng)度衰減到一半的時(shí)間來定義。質(zhì)子是最穩(wěn)定的粒子，實(shí)驗(yàn)已測(cè)得的質(zhì)子壽命大于10的33次方年。
　　粒子具有對(duì)稱性，有一個(gè)粒子，必存在一個(gè)反粒子。1932年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與電子質(zhì)量相同但帶一個(gè)正電荷的粒子，稱為正電子；后來又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)帶負(fù)電、質(zhì)量與質(zhì)子完全相同的粒子，稱為反質(zhì)子；隨后各種反夸克和反輕子也相繼被發(fā)現(xiàn)。一對(duì)正、反粒子相碰可以湮滅，變成攜帶能量的光子，即粒子質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?；反之，兩個(gè)高能粒子碰撞時(shí)有可能產(chǎn)生一對(duì)新的正、反粒子，即能量也可以轉(zhuǎn)變成具有質(zhì)量的粒子。
　　粒子還有另一種屬性—自旋。自旋為半整數(shù)的粒子稱為費(fèi)米子，為整數(shù)的稱為玻色子。
　　物質(zhì)是不斷運(yùn)動(dòng)和變化的，在變化中也有些東西不變，即守恒。粒子的產(chǎn)生和衰變過程就要遵循能量守恒定律。此外還有其他的守恒定律，例如輕子數(shù)和夸克數(shù)守恒，這是基于實(shí)驗(yàn)上觀察不到單個(gè)輕子和夸克的產(chǎn)生和湮滅，必須是粒子、反粒子成對(duì)地產(chǎn)生和湮滅而總結(jié)出來的。
　　微觀世界的粒子具有雙重屬性粒子性和波動(dòng)性。描述粒子的粒子性和波動(dòng)性的雙重屬性，以及粒子的產(chǎn)生和消滅過程的基本理論是量子場(chǎng)論。量子場(chǎng)論和規(guī)范理論十分成功地描述了粒子及其相互作用。

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【主要結(jié)構(gòu)】

　　1933年，狄拉克關(guān)于正電子存在的預(yù)言被證實(shí)，1936年安德森因此獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1955年塞格雷和錢伯林利用高能加速器發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子，他們因此獲1959年物理獎(jiǎng)。第二年又有人發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子。1959年王淦昌等人發(fā)現(xiàn)了反西格瑪負(fù)超子。這些都為反物質(zhì)的存在提供了證據(jù)。萊因斯等利用大型反應(yīng)堆，經(jīng)過3年的努力，終于在1956年直接探測(cè)到鈾裂變過程中所產(chǎn)生的反中微子。他因此獲 1995年物理學(xué)獎(jiǎng)。到1968年，人們才探測(cè)到了來自太陽(yáng)的中微子。 1947年鮑威爾利用自己發(fā)明的照相乳膠技術(shù)在宇宙線中找到了1934年湯川秀樹提出的介子場(chǎng)理論中預(yù)言的介子。湯川秀樹獲1949年物理獎(jiǎng)，鮑威爾獲 1950年物理獎(jiǎng)。到50年代末，基本粒子的數(shù)目已達(dá)30種。這些粒子絕大多數(shù)是從宇宙射線中發(fā)現(xiàn)的。自1951年費(fèi)米首次發(fā)現(xiàn)共振態(tài)粒子以來，至80年代已發(fā)現(xiàn)的共振態(tài)粒子達(dá)300多種。
　　所有的基本粒子都是共振態(tài)，共振態(tài)的發(fā)現(xiàn)其實(shí)已經(jīng)揭開了基本粒子的秘密，即所有的基本粒子都是共振態(tài)．共振態(tài)分二類，一類是不穩(wěn)定的，如強(qiáng)子類；另一類是穩(wěn)定的，如電子．中子等．它門不容易發(fā)生自發(fā)衰變．不存在絕對(duì)穩(wěn)定的基本粒子，如電子在一定的條件下也會(huì)堙滅（與正電子相遇時(shí)）。產(chǎn)生基本粒子的外因是物質(zhì)波的交匯，交匯處形成波包．內(nèi)因是交匯處發(fā)生了共振，客觀表現(xiàn)為共振態(tài)－－即基本粒子的產(chǎn)生．
　　夸 克 模 型
　　基本粒子如此之多，難道它們真的都是最基本、不可分的嗎？近40年來大量實(shí)驗(yàn)實(shí)事表明至少?gòu)?qiáng)子是有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。1964年蓋爾曼提出了夸克模型，認(rèn)為介子是由夸克和反夸克所組成，重子是由三個(gè)夸克組成。他因此獲1969年物理獎(jiǎng)。1990年弗里德曼、肯德爾和泰勒因在粒子物理學(xué)夸克模型發(fā)展中的先驅(qū)性工作而獲物理獎(jiǎng)。1965年，費(fèi)曼、施溫格、朝永振一郎因在量子電動(dòng)力學(xué)重整化和計(jì)算方法的貢獻(xiàn)，對(duì)基本粒子物理學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響而獲物理獎(jiǎng)。溫伯格和薩拉姆等以夸克模型為基礎(chǔ)，完成了描述電磁相互作用和弱相互作用的弱電統(tǒng)一理論。他們因此而獲1979年物理獎(jiǎng)。目前統(tǒng)一場(chǎng)論的發(fā)展正向著把強(qiáng)相互作用統(tǒng)一起來的大統(tǒng)一理論和把引力統(tǒng)一進(jìn)來的超統(tǒng)一理論前進(jìn)。并且這種有關(guān)小宇宙的理論與大宇宙研究的結(jié)合，正在推進(jìn)著宇宙學(xué)的進(jìn)展。

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【基本粒子表】

　　基本粒子的概念也在隨著物理學(xué)的發(fā)展而不斷的變化著，人們的認(rèn)識(shí)也在朝著揭示微觀世界的更深層次不斷地深入。
　　1. “基本粒子”的“祖孫”三代
　　從湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子到1932年發(fā)現(xiàn)中子，人們認(rèn)識(shí)到質(zhì)子、中子、電子和光子可以稱為基本粒子。當(dāng)時(shí)一度認(rèn)為一切都已搞清楚：質(zhì)子和中子構(gòu)成一切原子核；原子核和電子則構(gòu)造了自然界的一切原子和分子，而光子僅僅是構(gòu)成光與電磁波的最小單元。然而好景不長(zhǎng)，對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的這樣一種“圓滿”的解釋并沒能持續(xù)多久，人們很快發(fā)覺當(dāng)時(shí)所發(fā)現(xiàn)的基本粒子不能圓滿地解釋核力。
　　第一代

　　
　　1935年著名的日本物理學(xué)家湯川秀樹（1907～1981年）大膽假設(shè)，很可能還有未曾發(fā)現(xiàn)的新粒子。湯川秀樹認(rèn)為，就像電磁相互作用是通過交換光子而實(shí)現(xiàn)的那樣，核力是通過核子間交換一種介子而實(shí)現(xiàn)的。他還估算出了這種粒子的質(zhì)量大約是電子質(zhì)量的200倍。兩年之后，美國(guó)物理學(xué)家卡爾·戴維·安德孫（1905～年）在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了一種帶電粒子，它的質(zhì)量是電子的200倍左右，被命名為“m（繆）介子”。理論預(yù)言的成功使人們倍感欣慰，但進(jìn)一步的考察卻令人十分掃興。因?yàn)檫@種m介子根本不與核子相互作用，很明顯，它不可能是湯川秀樹所預(yù)言的粒子。
　　1947年，巴西物理學(xué)家塞色，M·G·拉帝斯等人利用核乳膠在宇宙射線中又發(fā)現(xiàn)了一種介子——p介子。p介子的性質(zhì)完全符合湯川秀樹的預(yù)言，能夠解釋核力。實(shí)際上，“m介子”不是介子而是一種輕子，所以現(xiàn)在將m介子稱為“m 子”。到1947年，人們認(rèn)識(shí)的粒子已達(dá)14種之多。其中包括當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的光子(g),正負(fù)電子（e±),正負(fù)m 子（m ±)，三種p介子（p±, p0），質(zhì)子（p）和中子（n）10種；另外4種就是1956年在實(shí)驗(yàn)室中被發(fā)現(xiàn)的正反電子中微子、反質(zhì)子和反中子。這14種粒子各有用武之地，其中質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成一切穩(wěn)定的物質(zhì)；光子是電磁力的傳遞者，p介子傳遞核力，中微子在b衰變中扮演不可缺少的角色（b衰變是原子核自發(fā)地放射出電子或正電子，或者俘獲原子內(nèi)電子軌道上的一個(gè)電子，而發(fā)生的轉(zhuǎn)變）；而m子則在宇宙射線中出現(xiàn)。以上這些就構(gòu)成了第一代粒子。
　　第二代

　　
　　穩(wěn)定的秩序似乎并沒有維持多久，“完滿”的舊理論很快就被一系列新的疑問所沖破。在發(fā)現(xiàn)p 介子的1947年，人們利用宇宙射線在云室中拍下了兩張有V字形徑跡的照片，衰變產(chǎn)物是p±介子和質(zhì)子（p）。這兩種徑跡不能用任何當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的第一代粒子來解釋，于是人們很自然的想到，這一定是兩種未發(fā)現(xiàn)的粒子衰變所形成的。在之后的幾年里，人們拍攝了十多萬張宇宙射線照片，終于發(fā)現(xiàn)了這兩種不帶電的新粒子。其中一個(gè)質(zhì)量為電子質(zhì)量的1000倍，現(xiàn)在被叫做“k0介子”；另一個(gè)約為電子質(zhì)量的2200倍，現(xiàn)在稱為 l粒子（讀“蘭布塔”）。我們稱它們?yōu)榈诙Ｗ?，這是因?yàn)樗鼈冇袃蓚€(gè)明顯的特點(diǎn)：(1) 產(chǎn)生快，衰變慢；(2) 成對(duì)（協(xié)同）產(chǎn)生，單個(gè)衰變。這些特點(diǎn)用過去的理論是無法解釋的，所以又稱它們?yōu)?#8220;奇異粒子”。
　　為了對(duì)這些奇異粒子進(jìn)行定量研究，光靠宇宙射線是不夠的。50 年代初，一些大型加速器陸續(xù)建成，使人們有可能利用加速器所加速的粒子來轟擊原子核，以研究奇異粒子。
　　到1964年人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了一批奇異粒子，使人們發(fā)現(xiàn)的粒子種類達(dá)到了33種。這些奇異粒子統(tǒng)稱為“第二代粒子”。
　　第三代
　　如果我們把已發(fā)現(xiàn)的30多種粒子按它們的穩(wěn)定程度來分類，那么其中有的粒子是穩(wěn)定的，例如質(zhì)子、電子等；有的粒子卻要自發(fā)地衰變成其它粒子，例如m ±、p±、π0、k0、λ0……等。它們衰變的時(shí)間一般在10-20 ～10-16秒或大于10-10秒，分別屬于電磁作用衰變和弱作用衰變。到了60年代，由于加速器的能量逐步提高和高能探測(cè)器的迅速發(fā)展，在實(shí)驗(yàn)上也發(fā)現(xiàn)了衰變時(shí)間在10-24～10-23秒范圍的快衰變粒子，其衰變屬?gòu)?qiáng)作用衰變。這些粒子被稱為“共振態(tài)粒子”，也稱“第三代粒子”。由于它們的出現(xiàn)，使粒子種類猛增到上百.

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【基本粒子理論】

　　于基本粒子的結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化規(guī)律的理論。它的理論體系就是量子場(chǎng)論。按照量子場(chǎng)論的觀點(diǎn)，每一類型的粒子都由相應(yīng)的量子場(chǎng)描述，粒子之間的相互作用就是這些量子場(chǎng)之間的耦合，而這種相互作用是由規(guī)范場(chǎng)量子傳遞的。
　　20世紀(jì)30年代以來，基本粒子理論在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上有了很大進(jìn)展。在粒子結(jié)構(gòu)方面，人們已經(jīng)通過對(duì)稱性的研究深入到了一個(gè)層次，肯定了強(qiáng)子是由層子和反層子組成的，對(duì)真空特別是對(duì)真空自發(fā)破缺也有了新的認(rèn)識(shí)。在相互作用方面，發(fā)展了可描述電磁相互作用的量子電動(dòng)力學(xué)，發(fā)展了能統(tǒng)一描述弱相互作用和電磁相互作用的弱電統(tǒng)一理論，可用于描述強(qiáng)相互作用的量子色動(dòng)力學(xué)。它們無一例外都是量子規(guī)范場(chǎng)理論，并且都在很大程度上與實(shí)驗(yàn)一致，從而使人們對(duì)各種相互作用的規(guī)律性有了更深一層的了解。
　　基本粒子理論在本質(zhì)上是一個(gè)發(fā)展中的理論，它在許多方面還不能令人滿意，其中有兩個(gè)具有哲學(xué)意義的理論問題尚待澄清，即：層次結(jié)構(gòu)問題（見物質(zhì)結(jié)構(gòu)層次）和相互作用統(tǒng)一問題(見相互作用的統(tǒng)一理論)。在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的原子層次上，可以把原子中的電子和原子核分割開來；在原子核層次上，也可以把組成原子核的質(zhì)子和中子從原子核中分割出來?？墒沁M(jìn)入到"基本粒子"層次后，情況有了變化。這種變化在于強(qiáng)子雖然是由帶"色"的層子和反層子組成的，但卻不能把層子或反層子從強(qiáng)子中分割出來。這種現(xiàn)象被稱為"色"禁閉。于是，在"基本粒子"層次，物質(zhì)可分的概念增添了新的內(nèi)容?？煞植⒉坏扔诳煞指?，強(qiáng)子以層子和反層子作為組分，但卻不能從強(qiáng)子中分割出層子和反層子。 "色"禁閉現(xiàn)象的原因至今還未能從理論上找到明確答案。80年代已知的層子、反層子已達(dá)36種，輕子、反輕子已達(dá)12種，再加上作為力的傳遞者的規(guī)范場(chǎng)粒子以及 Higgs粒子，總數(shù)已很多，這就使人們?nèi)ピO(shè)想這些粒子的結(jié)構(gòu)。物理學(xué)家們對(duì)此已經(jīng)給出許多理論模型，但各模型之間差別很大，近期內(nèi)還很難由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和判斷究竟哪個(gè)模型正確。
　　在弱電統(tǒng)一理論獲得成功之后，人們又探求強(qiáng)作用和弱作用、電磁作用三者之間的統(tǒng)一，提出了各種大統(tǒng)一模型理論。這種理論預(yù)言質(zhì)子也會(huì)衰變，其壽命約為1032±2年。但還沒有得到實(shí)驗(yàn)上的證實(shí)。在探索力的統(tǒng)一理論時(shí)不能不考慮引力。但引力和弱作用力、電磁作用力、強(qiáng)作用力有重要差別，因?yàn)樗苯优c空間、時(shí)間的測(cè)度有聯(lián)系，它的傳遞者──引力子的自旋不同于其他三種作用力的傳遞者，它的耦合常數(shù)有量綱～(質(zhì)量)-2 ，從而會(huì)出現(xiàn)無窮多種發(fā)散，不能重整化。如果再考慮到A.愛因斯坦所提出的引力方程的非線性性質(zhì)，就更增加了引力理論量子化、重整化的困難。初步的探討認(rèn)為，引力場(chǎng)也是一種規(guī)范場(chǎng)，這就意味著引力和其他三種基本力在邏輯上最終會(huì)統(tǒng)一起來。但從問題的深度上可以看到，有一些關(guān)鍵性的因素人們還沒有掌握。

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【基本粒子分族特性】

　　

族	電荷	質(zhì)量(注)	平均壽命（s）	共有的衰變產(chǎn)物	反粒子
輕子
μ	-e	106	2.2*10^-6	evμv-e	μ+
e	-e	0.511	穩(wěn)定	——	e+
ve	0	0	穩(wěn)定	——	v-e
vμ	0	0	穩(wěn)定	——	v-μ
重子
p	+e	938.26	穩(wěn)定	——	p-
n	0	939.55	930	pev-e	n-
λ	0	1115.6	2.5*10^-10	pπ-,nπ0	λ-
Σ+	+e	1189.4	8*10^-10	pπ0,nπ+	Σ-
Σ0	0	1192.5	小于10^-14	λ,輻射	Σ+
Σ-	-e	1197.3	1.5*10^-10	nπ-	Σ+
Ξ-	-e	1321.2	1.7*10^-10	λπ-	Ξ+
Ξ0	0	1314.7	3*10^-10	λπ0	Ξ0
介子
π+	+e	139.6	2.6*10^-8	μ+vμ	π-
π-	-e	139.6	2.6*10^-8	μ-vμ	π+
π0	0	135.0	10^-6	輻射	π0
K+	+e	493.8	1.2*10^-8	μ+vμ,π+π0	K-
K-	-e	493.8	1.2*10^-8	μ-vμ,π-π0	K+
K0	0	497.8	8.6*10^-11	π+π-，2π0	K0
			(快衰變方式)
			5.4*10^-8	3π0，π+π-π0
			(慢衰變方式)	π+μv-μ,π+ev-,π-μ+vμ-,π-e+v
K0(反粒子)	0	497.8	衰變方式與K0相同	——	K0
η	0	548.8	——	3π0，π0π+π-，π+π-，輻射	η

注：表中粒子的質(zhì)量是按能量單位1MeV（兆電子伏）給出的。如果與日常單位比較1MeV相當(dāng)于以1kW功率工作1.6*10^-16s.

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【基本粒子物理學(xué)】

　　研究比原子核更深層次的微觀世界中物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)，和在很高能量下這些物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化及其產(chǎn)生原因和規(guī)律的物理學(xué)分支。又稱高能物理學(xué)。其發(fā)展大致經(jīng)歷3個(gè)階段。
　　第一階段（1897～1937） 可追溯到1897年發(fā)現(xiàn)第一個(gè)基本粒子電子 。1932 年 J.查德威克在用a粒子轟擊核的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了中子，隨即人們認(rèn)識(shí)到原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，從而形成所有物質(zhì)都是由基本的結(jié)構(gòu)單元——質(zhì)子、中子、電子構(gòu)成的統(tǒng)一的世界圖像。質(zhì)子、中子、電子和A.愛因斯坦提出并被 R.A.密立根和 A.H. 康普頓等人實(shí)驗(yàn)證實(shí)的光子、W.泡利假設(shè)存在的中微子（1956年最終被實(shí)驗(yàn)證實(shí)）以及P.A.M.狄拉克預(yù)言并被 C.D.安德森 1932 年在宇宙線中觀察到的正電子都被認(rèn)為是基本粒子或亞原子粒子。
　　在此階段，理論上建立了量子力學(xué)，這是微觀粒子運(yùn)動(dòng)普遍遵從的基本規(guī)律。在相對(duì)論量子力學(xué)的基礎(chǔ)上，通過場(chǎng)的量子化初步建立量子場(chǎng)論，很好地解決了場(chǎng)的粒子性和描述粒子的產(chǎn)生、湮沒等問題。隨著原子核物理的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)在相當(dāng)于原子核大小的范圍內(nèi)除了引力相互作用電磁相互作用之外，還存在比電磁作用更強(qiáng)的強(qiáng)相互作用和介于電磁作用和引力作用之間的弱相互作用，前者是核子結(jié)合成核的核力，后者引起原子核的β衰變。對(duì)于核力的研究認(rèn)識(shí)到核力是通過交換介子而產(chǎn)生的，并根據(jù)核力的電荷無關(guān)性建立起同位旋概念。
　　第二階段（1937～1964） 先后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了眾多的粒子。1937年從宇宙線中發(fā)現(xiàn)μ子，后來證實(shí)它不參與強(qiáng)作用，它和與之相伴的μ中微子同電子及與之相伴的電子中微子可歸入一類 ，統(tǒng)稱為輕子 。1947年發(fā)現(xiàn)π±介子 ， 1950年發(fā)現(xiàn)π0介子 ， 1947 年還發(fā)現(xiàn)奇異粒子。50年代粒子加速器和各種粒子探測(cè)器有了很大發(fā)展，從而開始了用加速器研究并大量發(fā)現(xiàn)基本粒子的新時(shí)期，各種粒子的反粒子被證實(shí)；發(fā)現(xiàn)了為數(shù)不少的壽命極短的共振態(tài)?；玖Ｗ拥拇罅堪l(fā)現(xiàn)，其中大部分是強(qiáng)子，人們懷疑這些基本粒子的基本性。人們嘗試將強(qiáng)子進(jìn)行分類，提出頗為成功的強(qiáng)子分類的“八重法”。
　　這一階段理論上最重要的進(jìn)展是重正化理論的建立和相互作用中對(duì)稱性的研究。關(guān)于描述電磁場(chǎng)量子化的量子電動(dòng)力學(xué)，通過重正化方法消除了發(fā)散困難，對(duì)于電子和μ子反常磁矩以及蘭姆移位的理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確符合。量子電動(dòng)力學(xué)經(jīng)受眾多實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，成為描述電磁相互作用的成功的基本理論。對(duì)稱性與守恒定律聯(lián)系在一起，關(guān)于相互作用中對(duì)稱性的研究，最為重要的結(jié)果是1956年李政道、楊振寧提出弱作用下宇稱不守恒，1957年被吳健雄等人的實(shí)驗(yàn)及其他實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這些實(shí)驗(yàn)同時(shí)也證實(shí)了在弱作用下電荷共軛宇稱不守恒。這些研究推動(dòng)弱作用理論的進(jìn)展。
　　第三階段（1964～ ） 以提出強(qiáng)子 結(jié)構(gòu)的夸克模型為標(biāo)志。1964 年 M.蓋耳曼和 G.茲韋克在強(qiáng)子分類八重法的基礎(chǔ)上分別提出強(qiáng)子由夸克構(gòu)成，夸克共有上夸克u、下夸克d和奇異夸克s三種，它們的電荷 、重子數(shù)為分?jǐn)?shù)?？淇四Ｐ涂梢哉f明當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的各種強(qiáng)子。夸克模型得到后來進(jìn)行的高能電子、高能中微子對(duì)質(zhì)子和中子的深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)的支持，實(shí)驗(yàn)顯示出質(zhì)子和中子內(nèi)部存在點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)，這些點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是夸克存在的證據(jù) 。1974年發(fā)現(xiàn)J／ψ粒子，其獨(dú)特性質(zhì)必須引入一種新的粲夸克c ，1979年發(fā)現(xiàn)另外一種獨(dú)特的新粒子Υ，必須引入第5種夸克，稱為底夸克b。另一方面，1975年發(fā)現(xiàn)重輕子τ，并有跡象表明存在與τ相伴的τ中微子，于是輕子共有6種 。迄今的實(shí)驗(yàn)尚未發(fā)現(xiàn)輕子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。人們相信輕子是與夸克屬于同一層次的粒子 。輕子與夸克的對(duì)稱性意味著存在第6種頂夸克t 。 1994年4月26日，美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室宣布已找到頂夸克存在的證據(jù)。
　　這一階段理論上最重要的進(jìn)展是建立電弱統(tǒng)一理論和強(qiáng)相互作用研究的進(jìn)展 。 1961 年S.L.格拉肖提出電磁作用和弱作用的統(tǒng)一模型 ，其基礎(chǔ)是楊振寧和 R.L.密耳斯于1954年提出的非阿貝耳規(guī)范理論。按照這一模型，光子是傳遞電磁作用的粒子，傳遞弱作用的粒子是W±和Z0 粒子， 但是W±、Z0是否具有靜質(zhì)量，理論上如何重正化問題沒有解決。1967～1968年在對(duì)稱性自發(fā)破缺的基礎(chǔ)上 ， S.溫伯格、A.薩拉姆發(fā)展了格拉肖的電弱統(tǒng)一模型，建立了電弱統(tǒng)一的完善理論，闡明了規(guī)范場(chǎng)粒子W±、Z0是可以有靜質(zhì)量的，理論預(yù)言它們的質(zhì)量在80～100吉電子伏特（ GeV ） ，此外還預(yù)言存在弱中性流。1973年觀察到弱中性流，1983 年發(fā)現(xiàn)W± 、 Z0粒子，其質(zhì)量（mW≈80GeV，mZ≈90GeV ）及特性同理論上期待的完全相符。關(guān)于強(qiáng)作用的研究 ，1973年 G.霍夫特、D.J.格羅斯等人發(fā)展了量子色動(dòng)力學(xué)理論。量子色動(dòng)力學(xué)與量子電動(dòng)力學(xué)一樣，也是一種定域規(guī)范理論。在這個(gè)理論中，夸克之間的強(qiáng)相互作用是由于夸克具有色荷交換色膠子而產(chǎn)生的，膠子沒有靜質(zhì)量，但帶有色荷。強(qiáng)相互作用具有漸近自由的性質(zhì)，即夸克之間的強(qiáng)相互作用并不是隨著它們的距離增大而減弱，而是相反；當(dāng)它們相距很近而處于強(qiáng)子內(nèi)部時(shí)，相互作用很弱，可近似地看成是自由的，從而能夠說明夸克 、膠子的禁閉性質(zhì)、輕子對(duì)強(qiáng)子深度非彈性散射的異?，F(xiàn)象以及噴注現(xiàn)象等。
　　在粒子物理學(xué)的深層次探索活動(dòng)中，粒子加速器、探測(cè)手段、數(shù)據(jù)記錄和處理以及計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用不斷發(fā)展，既帶來粒子物理本身的進(jìn)展，也促進(jìn)整個(gè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展；粒子物理所取得的豐碩成果已經(jīng)在宇宙演化的研究中起著重要的作用。